Дифракция на светлината

Ако осветим с малък (точков) източник на светлина непрозрачен екран, забелязваме, че краищата на сянката са размити. Светлинните лъчи се отклоняват в областта на геометричната сянка, където се наблюдават редуващи се светли и тъмни ивици. При подходящи условия, тези ивици са оцветени в различен цвят. Подобна картина се наблюдава и на границата на сянката, получена при преминаване на светлината през малък отвор в непрозрачен екран. Това явление наричаме дифракция на светлината.

Между явленията интерференция и дифракция на светлината няма принципна разлика. Явлението интерференция се дължи на отклонение на светлинните лъчи от праволинейното им разпространение в еднородна среда при преминаване през краен брой малки отвори, при което се получава наслагване на вълни възбудени от дискретно разпределени кохерентни източници. Явлението дифракция се дължи на отклонение на светлинните лъчи от праволинейното им разпространение в еднородна среда при преминаване през отвор или покрай преграда, които закриват част от вълновата повърхност. Всяка точка от отвора (от края на преградата) става източник на вълни, които се наслагват, т.е. при дифракцията, за разлика от интерференцията, имаме непрекъснато разположени източници на светлина.

Проблемите, възникващи при изучаване на дифракционните явления са едни от най-трудните в оптиката и рядко се удава да бъдат намерени строги решения. В по-голямата част от случаите, които представляват практически интерес, поради трудности от математическо естество се прибягва до приблизителни решения, средство за намирането на които е теорията на Хюйгенс Френел. Ще илюстрираме теорията на Хюйгенс Френел за дифракцията с някои прости примери.

Принцип на Хюйгенс Френел

В геометричната оптика широко се използва понятието светлинен лъч, т.е. тесен сноп светлина, който в еднородна среда се разпространява праволинейно. Праволинейното разпространение на светлината в еднородна среда ни се струва очевидно. Корпускуларната теория на Нютон обяснява това разпространение. Вълновата теория на светлината, предложена от Хюйгенс, не може да обясни праволинейното й разпространение. Не е ясно как изобщо може да възникне рязко очертана сянка на осветяваните предмети, ако светлината има вълнова природа, тъй като вълните трябва да се огъват, когато срещнат препятствие. От друга страна корпускуларната теория не може да обясни опитните данни, които показват, че законът за праволинейното разпространение на светлината не е универсален. Той забележимо се нарушава при преминаване през достатъчно тесни процепи и отвори, а също така при осветяване на неголеми непрозрачни препятствия. В тези случаи на екран, поставен зад отворите или препятствията, заедно с рязко разграничените осветени области и сянката се наблюдават редуващи се интерференчни максимуми и минимуми на осветеност. Дори ако отворът или препятствието имат големи размери, няма рязък преход от сянката към осветената област. Винаги съществува известна преходна област, в която могат да се наблюдават редуващи се слаби интерференчни максимуми и минимуми, които свидетелстват за вълновия характер на светлината.

Решителна роля в утвърждаването на вълновата теория на светлината в началото на XIX век и в по-нататъшното нейно развитие е изиграл Френел. Той доказва, че законът за праволинейното разпространение на светлината е приблизителен. Този закон, както и цялата геометрична оптика са абсолютно верни само в граница при дължина на вълната 0. Френел допълва построението на Хюйгенс, което гласи: