Hiện tượng nhiễu xạ sóng là một trong những hiệu ứng phản ánh bản chất sóng của ánh sáng. Đối với sóng ánh sáng, nó được phát hiện vào đầu thế kỷ 19. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem hiện tượng này là gì, nó được mô tả như thế nào về mặt toán học và ứng dụng của nó ở đâu.
Hiện tượng nhiễu xạ sóng
Như bạn đã biết, bất kỳ sóng nào, dù là ánh sáng, âm thanh hay nhiễu động trên mặt nước, trong một môi trường đồng nhất đều truyền theo một đường thẳng.
Hãy tưởng tượng một mặt trước sóng có bề mặt phẳng và di chuyển theo một hướng nhất định. Điều gì sẽ xảy ra nếu có chướng ngại vật cản đường phía trước? Bất cứ thứ gì cũng có thể trở thành chướng ngại vật (một hòn đá, một tòa nhà, một khe hẹp, v.v.). Hóa ra sau khi vượt qua chướng ngại vật, mặt sóng sẽ không còn bằng phẳng nữa mà sẽ có hình dạng phức tạp hơn. Vì vậy, trong trường hợp có một lỗ tròn nhỏ, mặt sóng đi qua nó sẽ trở thành hình cầu.
Hiện tượng thay đổi hướng truyền sóng khi nó gặp chướng ngại vật trên đường đi của nó được gọi là nhiễu xạ (tiếng Latinh có nghĩa là nhiễu xạ"bị hỏng").
Kết quả của hiện tượng này là sóng xâm nhập vào không gian phía sau chướng ngại vật, nơi nó sẽ không bao giờ đập vào trong chuyển động thẳng của nó.
Ví dụ về nhiễu xạ sóng trên bờ biển được thể hiện trong hình bên dưới.
Điều kiện quan sát nhiễu xạ
Hiệu ứng phá sóng khi vượt qua chướng ngại vật được mô tả ở trên phụ thuộc vào hai yếu tố:
- bước sóng;
- thông số hình học của chướng ngại vật.
Hiện tượng nhiễu xạ sóng quan sát được trong điều kiện nào? Để hiểu rõ hơn về câu trả lời cho câu hỏi này, cần lưu ý rằng hiện tượng đang được xem xét luôn xảy ra khi sóng gặp vật cản, nhưng nó chỉ trở nên đáng chú ý khi bước sóng có bậc của các thông số hình học của vật cản. Vì bước sóng của ánh sáng và âm thanh đều nhỏ so với kích thước của các vật thể xung quanh chúng ta, nên hiện tượng nhiễu xạ chỉ xuất hiện trong một số trường hợp đặc biệt.
Tại sao xảy ra hiện tượng nhiễu xạ sóng? Điều này có thể hiểu được nếu chúng ta xem xét nguyên tắc Huygens-Fresnel.
Nguyên tắc Huygens
Vào giữa thế kỷ 17, nhà vật lý người Hà Lan Christian Huygens đã đưa ra một lý thuyết mới về sự lan truyền của sóng ánh sáng. Ông tin rằng, giống như âm thanh, ánh sáng di chuyển trong một môi trường đặc biệt - ête. Sóng ánh sáng là sự dao động của các hạt ête.
Xét mặt trước hình cầu sóng tạo bởi nguồn sáng điểm, Huygens đã đưa ra kết luận sau: trong quá trình chuyển động, mặt trước đi qua một loạt điểm không gian trongphát tin. Ngay sau khi anh ta tiếp cận họ, anh ta đã làm cho anh ta do dự. Đến lượt mình, các điểm dao động lại tạo ra một thế hệ sóng mới, mà Huygens gọi là sóng thứ cấp. Từ mỗi điểm, sóng thứ cấp có dạng hình cầu, nhưng riêng nó không xác định bề mặt của mặt trước mới. Sóng thứ cấp hình cầu là kết quả của sự chồng chất của tất cả các sóng thứ cấp hình cầu.
Hiệu ứng được mô tả ở trên được gọi là nguyên lý Huygens. Ông không giải thích được sự nhiễu xạ của sóng (khi nhà khoa học lập công thức, họ vẫn chưa biết về nhiễu xạ ánh sáng), nhưng ông đã mô tả thành công các hiệu ứng như phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Khi lý thuyết ánh sáng của Newton đạt được thành tựu vào thế kỷ 17, công trình của Huygens đã bị lãng quên trong 150 năm.
Thomas Jung, Augustin Fresnel và sự hồi sinh của nguyên lý Huygens
Hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa ánh sáng được phát hiện vào năm 1801 bởi Thomas Young. Tiến hành thí nghiệm với hai khe có ánh sáng đơn sắc phía trước truyền qua, nhà bác học nhận được trên màn ảnh hình ảnh các sọc sáng tối xen kẽ nhau. Jung đã giải thích đầy đủ các kết quả thí nghiệm của mình, đề cập đến bản chất sóng của ánh sáng, và do đó xác nhận các tính toán lý thuyết của Maxwell.
Ngay sau khi lý thuyết ánh sáng của Newton bị bác bỏ bởi các thí nghiệm của Young, nhà khoa học người Pháp Augustin Fresnel đã nhớ đến công trình của Huygens và sử dụng nguyên lý của ông để giải thích hiện tượng nhiễu xạ.
Fresnel tin rằng nếu một sóng điện từ lan truyền theo đường thẳng, gặp chướng ngại vật, thì một phần năng lượng của nó sẽ bị mất đi. Phần còn lại dành cho việc hình thành các sóng thứ cấp. Điều này dẫn đến sự xuất hiện của một mặt trận sóng mới, hướng lan truyền của nó khác với hướng truyền sóng ban đầu.
Hiệu ứng được mô tả, không tính đến ête khi tạo ra sóng thứ cấp, được gọi là nguyên lý Huygens-Fresnel. Ông đã mô tả thành công sự nhiễu xạ của sóng. Hơn nữa, nguyên tắc này hiện đang được sử dụng để xác định tổn thất năng lượng trong quá trình lan truyền của sóng điện từ, trên đường mà vật cản gặp phải.
Nhiễu xạ khe hẹp
Lý thuyết xây dựng các mẫu nhiễu xạ khá phức tạp theo quan điểm toán học, vì nó liên quan đến lời giải của các phương trình Maxwell cho sóng điện từ. Tuy nhiên, nguyên lý Huygens-Fresnel, cũng như một số phép tính gần đúng khác, giúp bạn có thể thu được các công thức toán học phù hợp với ứng dụng thực tế của chúng.
Nếu chúng ta coi hiện tượng nhiễu xạ trên một khe mỏng, trên đó mặt trước sóng phẳng song song rơi xuống, thì các sọc sáng và tối sẽ xuất hiện trên một màn hình nằm cách xa khe. Cực tiểu của hình nhiễu xạ trong trường hợp này được mô tả bằng công thức sau:
ym=mλL / a, trong đó m=± 1, 2, 3,…
Ở đây ymlà khoảng cách từ khe chiếu lên màn đến cực tiểu theo bậc m, λ là bước sóng ánh sáng, L là khoảng cách đến màn, a là chiều rộng khe.
Theo biểu thức rằng điểm tối đa trung tâm sẽ mờ hơn nếu giảm chiều rộng khe vàtăng bước sóng ánh sáng. Hình bên dưới cho thấy dạng nhiễu xạ tương ứng sẽ trông như thế nào.
Cách tử nhiễu xạ
Nếu một tập hợp các khe từ ví dụ trên được áp dụng cho một tấm, thì cái gọi là cách tử nhiễu xạ sẽ thu được. Sử dụng nguyên lý Huygens-Fresnel, người ta có thể thu được công thức cho các cực đại (dải sáng) thu được khi ánh sáng truyền qua cách tử. Công thức có dạng như sau:
sin (θ)=mλ / d, trong đó m=0, ± 1, 2, 3,…
Ở đây, tham số d là khoảng cách giữa các khe gần nhất trên cách tử. Khoảng cách này càng nhỏ thì khoảng cách giữa các dải sáng trong hình ảnh nhiễu xạ càng lớn.
Vì góc θ đối với cực đại bậc m phụ thuộc vào bước sóng λ nên khi ánh sáng trắng đi qua cách tử nhiễu xạ, trên màn xuất hiện các sọc nhiều màu. Hiệu ứng này được sử dụng trong sản xuất kính quang phổ có khả năng phân tích các đặc điểm của sự phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng của một nguồn cụ thể, chẳng hạn như các ngôi sao và thiên hà.
Tầm quan trọng của nhiễu xạ trong các thiết bị quang học
Một trong những đặc điểm chính của các dụng cụ như kính thiên văn hoặc kính hiển vi là độ phân giải của chúng. Nó được hiểu là góc nhỏ nhất, khi quan sát mà các đối tượng riêng lẻ vẫn có thể phân biệt được. Góc này được xác định từ phân tích nhiễu xạ sóng theo tiêu chí Rayleigh bằng công thức sau:
sin (θc)=1, 22λ / D.
Trong đó D là đường kính của thấu kính của thiết bị.
Nếu chúng tôi áp dụng tiêu chí này cho kính thiên văn Hubble, chúng tôi nhận thấy rằng thiết bị ở khoảng cách 1000 năm ánh sáng có thể phân biệt giữa hai vật thể, khoảng cách giữa chúng tương tự như khoảng cách giữa Mặt trời và Thiên vương tinh.
