Все точки волновой поверхности являются когерентными источниками вторичных волн. Фронт волны – результат интерференции вторичных волн (Френель).

Для того, чтобы лучше представить себе явление дифракции, рассмотрим наглядный пример с волнами на поверхности воды. Представим себе, что на поверхности какой-нибудь лужи ветер гонит мелкие волны. На пути этих волн лежит большой камень, размеры которого значительно превышают длину волны.

Позади этого камня волн нет, там, так называемая «теневая зона», а волна от камня при этом отражается. Рассматривая этот случай, мы не видим ничего странного: камень волну не пропускает, за камнем волн нет и волна при этом от камня отражается. Всё укладывается в наши привычные представления.

А теперь представим себе, что волна встречает на своём пути препятствие, размеры которого меньше длины волны, например, воткнутую в дно лужи палочку. Казалось бы, волна должна и от такого препятствия отразиться и позади его должна остаться теневая зона, как подсказывает нам логика.

Однако к нашему удивлению наблюдается другая картина: волна от палочки не отражается и за палочкой теневая зона не образуется. Волна как бы не обращает внимания на палочку. Вот в этом то опыте и проявляется явление дифракции. Волна огибает препятствие, размеры которого меньше длины волны.

Рассмотрим ещё один случай. Представим себе, что на пути волны стоят две доски и между ними зазор, значительно превышающий длину волны.

Волна после прохождения через этот широкий зазор, распространяется дальше широким пучком, ширина которого равна ширине зазора между досками. Всё укладывается в рамки наших житейских представлений.

А теперь представим, что волна на своём пути встречает зазор, размер которого меньше длины волны (щель).

Пройдя щель, волна распространяется не узким пучком, как нам подсказывает житейский опыт, а кругами. Такое впечатление, что щель при этом является точечным источником волн. Волна отклоняется от первоначального направления и заходит в зону предполагаемой тени. На первый взгляд, волна ведёт себя странно. Но на самом деле здесь ничего странного нет. Это один из случаев проявления дифракции волн.

Дифракционная решётка

Мы рассмотрели случай дифракции света на одной щели. А теперь представим себе систему из множества щелей. Такой системой является дифракционная решётка.

Она бывает двух видов: прозрачнаяи отражательная.

Прозрачная решётка представляет собой прозрачную пластину из стекла или прозрачной плёнки, на которую нанесены множество непрозрачных линий. На практике, в качестве непрозрачных линий на пластину наносят обыкновенные царапины специальным тонким алмазным резцом. Каждая царапина выполняет ту же роль, что и непрозрачная линия.

В отражательной решётке систему царапин наносят на поверхность металлической пластины, отполированной до зеркального блеска. Получается тоже дифракционная решётка, только она действует на отражение.

Важнейшим параметром решётки является её период - d: то есть сумма ширины непрозрачной линии и расстояния между линиями. Часто её характеризуют количеством линий на 1 мм ширины. Самые простые дифракционные решётки используются в школьном демонстрационном эксперименте и они имеют 100 линий на 1 мм ширины и на них написано число 1/100. Лучшие решётки имеют на 1 мм около 2000 штрихов. Такие решётки изготовляются на специальных машинах, которые наносят на подготовленную поверхность штрихи специальным алмазным резцом. Главное требование при этом, чтобы расстояние между всеми штрихами было абсолютно одинаковым. Для этого такая машина работает в специальном помещении, в котором поддерживается строго постоянная температура и перед нанесением штрихов эта машина должна несколько часов подряд работать вхолостую, чтобы окончательно стабилизировались все её параметры

Рассмотрим решётку в поперечном разрезе. Как видно из данного рисунка, в выбранном нами направлении на каждом периоде будет наблюдаться разность хода лучей:

D = d sin a

Для того, чтобы в данном направлении наблюдался максимум, нужно, чтобы на разности хода укладывалось целое число длин волн:

D = d sin a = kl (k = 1,2.3…)

Данная формула называется условием максимума дифракционной решётки.

В результате, при прохождении через дифракционную решётку монохроматического света, на экране будет наблюдаться картина, аналогичная той, которая наблюдалась при дифракции от одной щели. Однако, картина от решётки будет более яркой, так как в построении этой картины принимают участие не одна щель, а множество.

Наглядный опыт можно поставить с помощью лазера. Если луч лазера пустить на экран, то он высветит на экране только одну точку. Если на пути луча лазера поставить дифракционную решётку, то на экране будет наблюдаться картина, состоящая не из одной, а из нескольких точек. Все они будут лежать на одной прямой. Посередине будет самая яркая точка – главный центральный максимум. По обе стороны будут располагаться симметрично максимумы: две ближайшие точки – максимумы первого порядка, на рисунке обозначены цифрой 1. Они образованы тем, что разность хода лучей в этом направлении равна одной длине волны; следующие два максимума – это максимумы второго порядка, на рисунке они обозначены цифрой 2. Они образованы тем, что разность хода лучей в этом направлении равна двум длинам волны и т.д.

Если же решётку осветить белым светом, то максимумы будут выглядеть как радужные полоски и называться они будут дифракционными спектрами 1-го, 2-го и последующего порядков. При этом, все спектры будут расположены так, что их фиолетовые концы будут обращены к белому центральному максимуму. Если такую решётку приложить к глазу и посмотреть через неё на удалённый источник белого света, например, на электрическую лампу накаливания, то можно увидеть по обе стороны от лампы радужные полосы – дифракционные спектры различных порядков.

Если понаблюдать за окружающей нас обстановкой, то можно в некоторых местах встретить проявление дифракции света. Например, современный компакт-диск при освещении его прямыми лучами от Солнца или от электролампы выглядит радужно окрашенным, хотя он изготовлен на белой основе. Откуда же берётся цвет? На компакт-диске нанесена спиральная бороздка, в которой записана информация. И витки этой бороздки выполняют роль штрихов в отражательной дифракционной решётке.

Вопросы для самопроверки