Dyfrakcja, interferencja i polaryzacja

1. Jakie zjawiska są charakterystyczne dla fal?

Zjawiskami charakterystycznymi dla wszystkich fal są dyfrakcja i interferencja. Zjawiskom dyfrakcji i interferencji podlegają zarówno fale poprzeczne, jak i podłużne. Ulegają im fale mechaniczne (dźwięk, fale na powierzchni wody), ale również fale elektromagnetyczne (światło, promieniowanie podczerwone itp.). Polaryzacja dotyczy wyłącznie fal poprzecznych. Odkrycie faktu, że światło ulega dyfrakcji i interferencji, potwierdziło ostatecznie, że w pewnych zjawiskach należy traktować je jako rozchodzącą się falę. Fakt, że światło ulega polaryzacji, świadczy o tym, że jest ono falą poprzeczną.

2. Co to jest dyfrakcja?

Dyfrakcją, czyli ugięciem, nazywamy wszelkie odstępstwa od prostoliniowego biegu fal, w wyniku oddziaływania fal z przeszkodą. Może nią być ostra krawędź napotkanej przeszkody oraz szczelina lub otwór w przeszkodzie.

3. Kiedy obserwujemy dyfrakcję?

Dyfrakcję obserwujemy, gdy fala pada na szczelinę lub trafia na swej drodze na przeszkodę o rozmiarach porównywalnych z długością rozchodzącej się fali. Gdy szerokość szczeliny jest większa od długości fali (λ), dyfrakcje obserwujemy jedynie na krawędzi szczeliny, a większa część fal przechodzi bez zmiany kierunku. Gdy zwężamy szczelinę, efekt ugięcia staje się coraz wyraźniejszy. Gdy szczelina jest znacznie węższa od długości fali, fala rozchodząca się jest bardzo słaba, gdyż przez szczelinę przepływa niewiele energii. Rysunek przedstawia schemat ugięcia fal. Linie przedstawiają grzbiety fal widziane z góry.

Ponieważ dyfrakcja jest najsilniejsza, gdy szerokość szczeliny jest bliska długości fali λ , wobec tego zaobserwowanie dyfrakcji niektórych fal może być łatwe, a innych bardzo trudne.

Skojarz na przykładzie!
Fale dźwiękowe mają długości od kilkudziesięciu milimetrów do kilku metrów. To oznacza, że ich ugięcie możemy obserwować, gdy np. fale przechodzą przez otwarte drzwi. Szerokość drzwi jest porównywalna z długością fali akustycznej i dlatego dźwięk wytworzony w jednym pokoju może być słyszalny w drugim.
Dyfrakcja światła dostrzegalna jest wówczas, gdy światło przechodzi przez szczelinę o szerokości ułamka milimetra lub jeszcze mniejszej.

4. Co to znaczy, że dwie fale mają zgodne lub przeciwne fazy?

W danej chwili różne elementy ośrodka drgającego, w którym rozchodzi się fala, poruszają się z różnymi prędkościami. Na rysunku zaznaczono tym samym kolorem punkty, które poruszają się w tym samym momencie z jednakowymi prędkościami. O takich punktach powiemy, że drgają w tej samej fazie. W fazach przeciwnych drgają na przykład punkty A i C.

5. Co to jest interferencja?

Gdy w tym samym miejscu spotkają się fale z dwóch różnych źródeł, to nakładają się one na siebie i powstaje fala będąca ich wypadkową. Ponieważ fale mogą mieć różne amplitudy i długości, więc ich wypadkowa daje falę o skomplikowanym kształcie. Szczególnym przypadkiem nakładania się fal jest interferencja, czyli nakładanie się fal o jednakowych długościach.

Jeśli dwie interferujące fale spotykają się w zgodnych fazach, to mówimy o interferencji konstruktywnej. Wówczas w jednym miejscu następuje wzmocnienie, a w innym osłabienie lub całkowity zanik drgań. Jeśli fazy obu fal są przeciwne, to mamy interferencję destruktywną, gdy fale ulegają całkowitemu wygaszeniu.

6. Jak wyglądało doświadczenie Younga?

Analizę interferencji światła łatwo zrozumieć na przykładzie tzw. doświadczenia Younga. Schemat tego doświadczenia przedstawia rysunek. Źródło światła oświetla dwie kolejne, wąskie szczeliny, położone bardzo blisko siebie. Każdą ze szczelin możemy odtąd traktować jako osobne źródło wysyłające światło o tej samej długości. Ponieważ odległości od źródła światła do obu szczelin są jednakowe, więc do obu szczelin czoło fali dociera w tym samym czasie, czyli fale wychodzące z obu szczelin są w tej samej fazie (są spójne) i interferują ze sobą. Na ekranie obserwujemy obraz jasnych i ciemnych prążków interferencyjnych, ułożonych symetrycznie po obu stronach najjaśniejszego, środkowego prążka. Prążki te nazywamy kolejno prążkami pierwszego, drugiego itd. rzędu. Natężenie prążków wyższych rzędów jest zwykle mniejsze niż natężenie prążka zerowego.

7. Skąd się biorą jasne i ciemne prążki?

Na rysunku grzbiety fali narysowane są linią ciągłą, a doliny fali linią przerywaną. Jasne prążki powstają w miejscach, gdzie spotykają się dwa grzbiety lub dwie doliny fal. W takich miejscach następuje bowiem wzmocnienie fali. W miejscach spotkania doliny jednej fali z grzbietem drugiej fali, następuje całkowite wygaszenie drgań. W tych miejscach na ekranie powstaje ciemny prążek.

8. Co to jest siatka dyfrakcyjna?

Siatka dyfrakcyjna to przezroczysta płytka, na której nacięte są równoległe rysy o jednakowych odległościach od siebie. Taki układ jednakowych rys ugina padające na nie światło. Jakość siatki jest tym większa, im węższe są szczeliny między rysami i im mniejsza jest odległość d między środkami szczelin. Odległość d nazywamy stałą siatki dyfrakcyjnej.

Siatka dyfrakcyjna może służyć do pomiaru długości fali światła. Gdy światło przechodzi przez siatkę dyfrakcyjną, to ugina się na jej licznych szczelinach, a ugięte promienie nakładają się na siebie, czyli interferują ze sobą. Powstaje charakterystyczny obraz tzw. prążków interferencyjnych.

Po obu stronach centralnego prążka (zwanego prążkiem zerowym) pojawiają się symetrycznie rozłożone jasne prążki. Jest ich tym więcej i tym bardziej są odchylone, im węższe i bliższe siebie są szczeliny siatki.

Jeśli na siatkę pada światło jednej barwy (monochromatyczne), to jasne prążki mają taką barwę jak padające światło. Jeśli oświetlimy siatkę światłem białym, to prążki będą barwne, przy czym najbliżej prążka zerowego znajdą się barwy fioletowe, a najdalej barwy czerwone.

9. Jak można wyznaczyć długość fali światła?

Za pomocą siatki dyfrakcyjnej można wyznaczyć długość fali światła padającego na siatkę (rys. 6). Potrzebne są do tego trzy wielkości:

  • odległość między szczelinami d, czyli stała siatki dyfrakcyjnej,
  • odległość między prążkiem zerowym a kolejnym jasnym prążkiem na ekranie (pierwszego rzędu) x
  • odległość przesłony ze szczelinami od ekranu l

Po zmierzeniu tych trzech wielkości możemy wyznaczyć długość fali światła l, korzystając ze wzoru:

10. Co to jest polaryzacja?

Fale poprzeczne tym różnią się od fal podłużnych, że drgania elementów ośrodka (np. dla fal mechanicznych) odbywać się mogą w różnych płaszczyznach, jednak zawsze prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Fale podłużne nie mają tej właściwości. Drgania odbywają się tam bowiem zawsze wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali.

Gdy wszystkie wychylenia w fali poprzecznej zawarte są w jednej płaszczyźnie, to mówimy, że fala jest spolaryzowana liniowo.
Światło docierające do Ziemi ze Słońca, podobnie jak światło żarówki, jest zbiorem fal elektromagnetycznych, w pewnym stopniu nieuporządkowanych. Wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego leżą w różnych płaszczyznach. Jest to więc światło niespolaryzowane.

11. Jak polaryzujemy światło?

Światło niespolaryzowane można spolaryzować, jeśli przepuści się je przez specjalną płytkę zwaną polaryzatorem. Przez polaryzator przechodzą jedynie takie fale, których wektory natężenia pola leżą w wybranej płaszczyźnie. Pozostałe fale są pochłaniane. Ta wybrana płaszczyzna to płaszczyzna polaryzacji. Jeśli ustawimy polaryzatory w ten sposób, aby ich płaszczyzny były „skrzyżowane”, to światło zostanie całkowicie pochłonięte.

Wykorzystując polaryzację światła, możemy ograniczyć natężenie światła docierającego do oczu człowieka. Okazuje się, że po odbiciu od powierzchni drogi lub wody część światła jest spolaryzowana w płaszczyźnie poziomej. W okularach przeciwsłonecznych wystarczy wówczas umieścić cienką warstwę polaryzatora, tak aby płaszczyzna polaryzacji była pionowa. Wówczas spolaryzowane światło odbite nie przechodzi przez szkło okularów. Podobnie będzie działał polaryzator nałożony na obiektyw aparatu fotograficznego. Wyeliminuje bowiem niepożądane odbicia obrazów od powierzchni szyb, tafli lodu i innych błyszczących powierzchni.

PODYSKUTUJ: