Mini-kurzus
Diffrakció
A diffrakció azt mutatja, hogy a hullám nem mindig terjed pusztán geometriai egyenes sugarakként: résen áthaladva vagy akadály széle mellett elhaladva szétterülhet. A hatás különösen erős, ha a nyílás vagy akadály mérete összemérhető a hullámhosszal.
Miért hajlik el a hullám?
A Huygens–Fresnel-kép szerint a hullámfront minden pontja másodlagos hullámok forrásaként kezelhető. Egy nyílás után ezek a részhullámok különböző irányokba terjednek és egymással interferálnak. A megfigyelt intenzitásmintát ezért nem az okozza, hogy a hullám „nekimegy a szélnek”, hanem a hullámfront különböző részeinek fáziskapcsolata.
Egyréses diffrakció
a szélességű résnél a sötét minimumok közelítő feltétele a sinθ=mλ, ahol m=±1,±2,… . A központi maximum a legszélesebb és rendszerint a legintenzívebb. Ha a rés szűkül, a minta jobban szétterül; ha a hullámhossz nő, ugyanez történik. Ez fordított kapcsolat a nyílás térbeli mérete és a szögeloszlás között.
Miért nem látjuk mindig?
Látható fény hullámhossza néhány száz nanométer. Egy centiméteres ajtónyílás ehhez képest óriási, ezért a diffrakciós szög rendkívül kicsi. Hang hullámhossza viszont méteres nagyságrendű is lehet, ezért könnyen „bekanyarodik” ajtónyílások mögé. A jelenség ugyanaz, csak a méretarány különbözik.
Kör alakú nyílás és felbontás
Kör alakú apertúránál Airy-korong és gyűrűk jelennek meg. A legkisebb szögfelbontás nagyságrendje θ≈1,22λ/D, ahol D a nyílás átmérője. Nagyobb távcsőtükör vagy objektív ezért nemcsak több fényt gyűjt, hanem kisebb diffrakciós korlátot is ad, vagyis közeli részleteket jobban különválaszthat.
Diffrakciós rács
Sok egyenletesen elhelyezett rés vagy vonal éles interferenciamaximumokat hoz létre: d sinθ=mλ. Mivel a különböző hullámhosszak más szögben erősítik egymást, a rács spektrumokra bonthatja a fényt. Spektrométerekben ez lehetővé teszi nagyon közeli hullámhosszak szétválasztását.
Kapcsolat az interferenciával
A diffrakció valójában interferencia egy kiterjedt hullámfront különböző részei között. Kétréses kísérletben a résenkénti diffrakció ad egy széles burkológörbét, amelyen belül a két rés közötti interferencia finomabb csíkjai jelennek meg. A két jelenséget ezért nem érdemes mereven szétválasztani.
A modell határa
A geometriai optika akkor jó közelítés, ha minden fontos méret sokkal nagyobb a hullámhossznál. Ha apertúrák, élek vagy szerkezeti részletek a λ nagyságrendjébe kerülnek, a hullámoptikai leírás elengedhetetlenné válik. Ezért a diffrakció nem apró korrekció, hanem a hullámtermészet egyik alapvető következménye.
Próbáld ki
600 nm hullámhosszú fény 0,20 mm széles résen halad át. Körülbelül mekkora szögben van az első minimum?
Megoldás
sinθ≈λ/a=6,0×10⁻⁷/2,0×10⁻⁴=3,0×10⁻³, kis szögnél θ≈0,003 rad≈0,17°. A rés szűkítése növelné ezt a szöget.