Значение слова ДИФРАКЦИЯ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона

(diffraction, inflexion, Beugung, уклонение света). — А) явление световой Д. Объяснение ее Ньютоном. Принцип Гюйгенса. Объяснение Д. Френелем. В) плоская дифракционная сетка. Вогнутая сетка Роуланда. С) таблица длины волн. D) явление Д. в зрительных трубах. Е) звуковая Д. А) Дифракцией называется свойство световых лучей образовывать чередующиеся полосы и кольца после того, как лучи от светящейся точки или линии обойдут края непрозрачных небольших предметов (игла, волос) или пройдут через небольшие отверстия (узкая щель, сетка). Гримальди (XVII в.) первый наблюдал такие полосы по краям тени от ширмы, на которую падали солнечные лучи через узкое отверстие. Гримальди объяснил себе происхождение полос особым уклонением лучей, назвав это явление дифракцией. Одно из типичных и легко наблюдаемых явлений Д., представляющее ряд радужных изображений свечи или лампы, получается, если смотреть на пламя через прищуренные ресницы с расстояния 4-5 м. Мы легко также замечаем особенным образом распределенные полосы и сияние около пламени уличного фонаря или свечи, когда смотрим на огонек через ткань носового платка... Долгое время после Гримальди при описании дифракционных явлений ограничивались только предположением, что лучи изгибаются, когда минуют края экранов или проходят через малые отверстия. Ньютон приписывал этот уклон лучей притягивающим и отталкивающим силам, которые, по его мнению, должны бы существовать между частицами светящейся материи в луче и краями экранов. Гипотеза эфирных волн во времена Ньютона тоже не в состоянии была объяснить ни световой тени, ни чередования света с темнотой в дифракционных полосах. Все последующие опыты, однако, доказывали, что изгиб световых лучей увеличивается всегда с уменьшением экранов и отверстий и что характер дифракционных полос и относительное их распределение зависят от формы краев экрана и цвета лучей, но нисколько не зависят от вещества экрана. Френель в двадцатых годах нынешнего столетия, воспользовавшись идеями Гюйгенса и Юнга относительно сущности светового луча, первый дал верное объяснение Д. в знаменитом своем мемуаре, премированном Парижской акад. наук в 1819 г. (Fresnel, "Oeuvres compl?tes" t. I, p. 247). Объяснение Френеля основано на применении принципа интерференции к элементам одной и той же поверхности волны. По принципу Гюйгенса, каждая точка (1, 2, 3...) сферической поверхности световой волны (черт. 1) является самостоятельным центром новых сферических волн 1, 2, 3..., огибающая которых представляет новое положение поверхности волны MmN (см. Свет — теория). b20_706-0.jpg Черт. 1. Френель дополнил принцип Гюйгенса следующим замечанием. Каждая точка А, внешняя относительно поверхности волн, испытывает слагающееся колебание от всех точек этой поверхности, но каждое из слагающих колебаний в такой внешней точке А (черт. 2) имеет особую фазу в зависимости от расстояния А до различных точек M, n, m, p и N поверхности волны KL. b20_707-1.jpg Черт. 2. Если расстояния отличаются друг от друга на одну или на несколько волн (четное число полуволн), то соответственные слагающие колебания будут совпадать в своих фазах (см. Интерференция). При разности в расстояниях на 1/2 волны или на нечетное число полуволн соответственные слагающие колебания будут приходить в внешнюю точку в противоположных фазах. Если принять во внимание это френелевское дополнение к принципу Гюйгенса, то делается очевидным, что для каждого элемента поверхности волны около каждой из точек вроде m, n или о всегда существует на ближайшем расстоянии от него другой соседний элемент, противодействующий первому. Принимая длину эфирных световых волн чрезвычайно малой (около 1/2000 мм), всегда можно для данной точки А выбрать такой ряд последовательных точек (m, n, М) на поверхности волны, расстояния которых до А будут отличаться друг от друга попарно на 1/2? (т. е. пА - тА = ?/2, nA - МА = ?/2 и т. д.). Таким образом, лучи от всех элементов поверхности волны KL будут противодействовать друг другу за исключением лучей одного элемента m, пересекаемого прямой SA. Руководствуясь этими соображениями, Френель объяснил все основные явления Д. света, а именно: 1) Дифракция от узкой щели MN (черт. 1), когда получаются от светящейся линии S полосы в плоскости AB. Если разность хода лучей NA и MA равна четному числу полуволн \[2n(?/2)\], то действующую через отверстие MN часть поверхности волны можно разделить на четное число элементов, которые будут попарно противодействовать друг другу, а следовательно, обусловят minimum света в точке А. При NA — MA = (2n + 1)(?/2) в А будет светлая полоса, так как действующая часть поверхности волны будет заключать нечетное число элементов, а следовательно, один из них не будет иметь себе парного элемента и обусловит maximum света для точки А. В точке О (прямо против отверстия) может быть или сконцентрированный свет, или же образуется темное место, смотря по тому, насколько разнятся по ходу лучи No и mo, Mo и mo. Если NO — mO = MO — mO = 2n(?/2) то в О темнота; а при разности хода = (2п + 1)(?/2) в точке О усиленный свет. Пользуясь принципом Гюйгенса, Френель мог рассчитать заранее или размер круглого отверстия MN или расстояния Sm и тА (черт. 2), при которых от светящейся точки S получается в светлом круге в точке А или темнота, или усиленный свет. На черт. 2 показано, что действующая часть волны заключает в себе 4 элемента, противодействующие друг другу попарно (Мп противодействует пт, Np — противодействует рт). Если уменьшить отверстие до M'N', то в А получится усиленный свет, так как исключится противодействующее влияние элементов Мп и Np. 2) Дифракционные полосы от маленькой прямоугольной ширмы MN, которые образуются внутри и вне тени (черт. 3). b20_707-2.jpg Черт. 3. Внутренние полосы, по Френелю, происходят от интерференции элементов поверхности волны по сторонам ширмы, а внешние р₁, p₂ обусловливаются интерференцией лучей от частей поверхности волны, лежащих по одну сторону ширмы, а именно: полосы около р₁ — от интерференции лучей от М'М" и М'М, a полосы около p₂ — от NN' и N'N". Если закрыть действующую часть волны с одной стороны вполне, продолжив ширму MN до N", то останется только одна система полос около р₁ — на краю тени. 3) Опыт Юнга (Young). Если в сплошном экране сделать две прямоугольные щели, которые приходились бы как раз на месте элементов М и N (черт. 3), то через такие 2 щели свет от линии S образует в плоскости р₁Op₂ ряд полос, происходящих, по Френелю, от различной разности хода лучей, которые распространяются от М и N к различным точкам около О. В) Дифракционная оптическая сетка (reseau, Diffractionsgitter, grating) дает явления, имеющие особенный научный интерес. Сеткой называют стеклянную прозрачную пластинку с параллельными плоскими поверхностями, часть которой покрыта с одной стороны нарезанными алмазом черточками близко друг к другу (от 20 до 800 в 1 мм). Эти черточки обычно оказываются менее прозрачными, чем остальная часть поверхности. Первый Фраунгофер приготовил такую сетку, чтобы воспользоваться ею для получения спектров и измерения длины световых волн. На черт. 4 оптическая сетка представлена в разрезе. b20_708-1.jpg Черт. 4. A₁B₁=A₂B₂=A₃B₃...=a соответствуют ее прозрачным промежуткам, B₁A₂=B₂A₃=...= b — означают малопрозрачные матовые штрихи. Однородный свет (с длиной волны ?) от удаленной светящейся линии подходит к сетке в виде параллельных лучей SA₁, SB₁,...; следовательно, поверхность эфирных волн, приходящих к сетке, будет плоскость MN — параллельная поверхности сетки. По принципу Гюйгенса, каждая точка элементов A₁B₁, A₂B₂,... этой плоской волны является независимым центром для колебаний, распространяющихся по всем направлениям. Из чертежа видно, что должно существовать такое направление, наклонное к падающим лучам под углом ?, следуя по которому, лучи попарно A₁а₁ и A₂а₂, A₂а₂ и A₃а₃... и т. д. отстанут друг от друга на одну волну. При таком условии лучи A₁а₁, A₂а₂ и A₃а₃ и т. д. будут друг друга усиливать и мы увидим отдаленную светящуюся линию по направлению, образующему угол ? с падающими лучами, но менее яркой, чем по направлению падающих лучей SAS₁. Это будет дифракционным изображением S — первого порядка. Другая система лучей, еще более отклоненных от падающих лучей, но при условии, что лучи, подобные A₁а₁ и A₂а₂, будут отставать друг от друга уже не на одну волну, а на две волны, даст новое изображение линии S — еще более слабое — изображение второго порядка. Пучки лучей в промежуточных направлениях будут давать minima света и т. д. Все это можно выразить формулой, которую дает волнообразная теория света для яркости (J) лучей, идущих от отверстий сетки по какому-нибудь направлению, образующему угол ? с направлением падающих: b20_708-2.jpg Maxima и minima яркостей J будут зависеть от maxima и minima значений функций P и Q. Теория доказывает, что J имеет три класса maxima, из которых, в случае малого размера ширины (а) прозрачных промежутков и большого числа (п) матовых штрихов, преобладающими (главными) остаются maxima II класса, так как с ними совпадают maxima I кл. Maxima же III кл., будучи чрезвычайно слабыми и располагаясь между maxima II кл. (следовательно, на месте minima II кл.), становятся в этих условиях вовсе незаметными. То, что мы назвали дифракционными изображениями 1-го, 2-го 3-го порядков — не что иное, как 1-й, 2-й, 3-й maxima II кл. Условными уравнениями для главных maxima будут: sin?(a + b) = ?, sin?(a + b) = 2? sin?(a + b) = 3?,.. . sin?(a + b) = ??. Сумма (a + b) называется элементом сетки и измеряется в мм. Так как (a + b) мм можно выразить через 1/n мм, принимая за п число делений в 1 мм, то для общего случая — спектра т-го порядка sin? = т.n? откуда можно определить длину волны ? = sin?/(т.n) зная (a + b), т и ? с помощью особого угломерного прибора (см. Спектрометр). Из уравнений видно, что для лучей с более короткой волной ?' \