Dyfrakcja

Obraz dyfrakcyjny czerwonej wiązki laserowej na ekranie po przejściu przez małą okrągłą szczelinę.

Dyfrakcja (ugięcie fali) – zespół zjawisk związanych ze zmianą kierunku rozchodzenia się fali będący odstępstwem od praw optyki geometrycznej [1]. Dyfrakcję w węższym znaczeniu określa się jako ugięcie światła wokół krawędzi przeszkody lub otworu w obszarze cienia przeszkody.

Dyfrakcja, jako zmiana amplitudy fali niezgodnie z prawami optyki geometrycznej, występuje dla każdej fali o amplitudzie zmieniającej się w kierunku prostopadłym do jej biegu oraz gdy własności falowe ośrodka powodujące różnicowanie amplitudy w wiązce fal (np przesłony). Efekty dyfrakcji są wyraźnie widoczne, gdy obserwuje się falę z dokładnością porównywalną do długości fali. Trwałe wzory dyfrakcyjne wywołują fale spójne.

Efekty zmiany kierunku ruchu i rozpraszania fal, które można wyjaśnić prawami optyki geometrycznej nie są uznawane za dyfrakcję. Rozpraszania dyfrakcyjne pojawiają się, gdy fala przemieszcza się przez medium o zmiennym współczynniku załamania lub gdy fala przemieszcza się przez ośrodek o zmiennej impedancji. Fale dźwiękowe mają długości rzędu 1 metra, ich dyfrakcja ma decydujące znacznie w kształtowaniu przestrzeni akustycznej i jest na równi z odbiciem dźwięku odpowiedzialna za rozprzestrzenianie się dźwięku.

Dyfrakcja występuje przy wszystkich rodzajach fal, w tym fal dźwiękowych falach wodnych i wszystkich rodzajów fal elektromagnetycznych. Dyfrakcja występująca dla materii np. elektronów, atomów i molekuł na kryształach jest wyjaśniana przez mechanikę kwantową [2] [3] [4].

Zjawisko dyfrakcji opisuje się jako interferencję fal zgodnie z zasadą Huygensa.

W najprostszym przypadku rozważa się przejście światła przez niewielki otwór (szczelinę) w przeszkodzie. Zjawisko zachodzi niezależnie od wielkości przeszkody (otworu), ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza jednak zdolność rozdzielczą układów optycznych.

Mechanizm

Pełny matematyczny opis dyfrakcji wymaga analizy pola fal wzbudzonego przez źródło fal i rozchodzące się w ośrodku o określonych właściwościach falowych i sprowadza się do rozwiązania różniczkowych równań falowych dla danych warunków. Jest to zagadnienie trudne lub niemożliwe do dokładnego analitycznego rozwiązania.

Fale elektromagnetyczne, w tym i światło, opisywane są przez równania Maxwella. Dla fali płaskiej rozchodzącej się w kierunku osi x, pomijając zmianę amplitudy w kierunku rozchodzenia się fali:

Powyższe równanie jest analogiczne do równania dyfuzji w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali. Współczynnik dyfuzji (D), odpowiadający za zmianę amplitudy fali w miarę jej poruszania się, jest proporcjonalny do długości fali. Urojona wartość współczynnika może prowadzić do oscylacji amplitudy w wyniku jej zależności od danego kierunku [1].

Szczególnym przypadkiem fali w ośrodku trójwymiarowym jest wiązka Gaussa. Jest to fala o symetrii osiowej, której amplituda jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od osi wiązki jak w rozkładzie Gaussa. Dla wiązki takiej będącej falą płaską w początku układu współrzędnych z równań falowych wynika, że w miarę poruszania się w ośrodku jednorodnym wiązka pozostaje wiązką Gaussa, ale jest rozbieżna, co sprawia, że amplituda na osi wiązki maleje wraz z odległością, wiązka jest coraz szersza. W oddali kąt rozbieżności jest równy dyfrakcyjnej szerokość wiązki [5].

Przyjmując, że fala płaska pada na przesłonę, przyjmując przybliżenie, że bezpośrednio za przesłoną fala ma amplitudę 0, a w części nieprzesłoniętej 1. Z równań falowych wynika, że amplituda rozpływa się na granicy cienia, równania dyfrakcji są matematycznie zgodne z równaniem Schrödingera z mechaniki kwantowej, dyfuzji lub przepływu ciepła. Otrzymane wzory są też zgodne z przybliżonymi wzorami otrzymanymi z fresnelowskiej teorii dyfrakcji fal [1].


Inne języki
العربية: حيود
বাংলা: অপবর্তন
беларуская: Дыфракцыя
български: Дифракция
català: Difracció
čeština: Difrakce
chiShona: Bvurunuro
Cymraeg: Diffreithiant
Ελληνικά: Περίθλαση
English: Diffraction
Esperanto: Difrakto
فارسی: پراش
français: Diffraction
Gaeilge: Díraonadh
galego: Difracción
한국어: 회절
Հայերեն: Դիֆրակցիա
हिन्दी: विवर्तन
hrvatski: Ogib
Bahasa Indonesia: Difraksi
italiano: Diffrazione
עברית: עקיפה
қазақша: Дифракция
Kreyòl ayisyen: Difraksyon
Кыргызча: Дифракция
latviešu: Difrakcija
lietuvių: Difrakcija
magyar: Diffrakció
മലയാളം: വിഭംഗനം
मराठी: विवर्तन
монгол: Дифракц
Nederlands: Diffractie
日本語: 回折
norsk nynorsk: Diffraksjon
oʻzbekcha/ўзбекча: Difraksiya
ਪੰਜਾਬੀ: ਵਿਵਰਤਨ
Piemontèis: Difrassion
português: Difração
română: Difracție
русский: Дифракция
sicilianu: Diffrazzioni
සිංහල: විවර්තනය
Simple English: Diffraction
slovenčina: Difrakcia
slovenščina: Uklon
српски / srpski: Дифракција
srpskohrvatski / српскохрватски: Difrakcija
Basa Sunda: Difraksi
suomi: Diffraktio
svenska: Diffraktion
తెలుగు: వివర్తనం
Türkçe: Kırınım
українська: Дифракція
Tiếng Việt: Nhiễu xạ
中文: 衍射