Qhov tshwm sim ntawm nthwv dej diffraction yog ib qho ntawm cov teebmeem uas cuam tshuam qhov nthwv dej ntawm lub teeb. Nws yog rau lub teeb nthwv dej uas nws tau pom thaum pib ntawm lub xyoo pua 19th. Hauv tsab xov xwm no, peb yuav saib seb qhov tshwm sim no yog dab tsi, nws piav qhia txog lej, thiab qhov twg nws pom daim ntawv thov.
Wave diffraction phenomenon
Raws li koj paub, txhua yam nthwv dej, txawm tias nws lub teeb, suab lossis cuam tshuam rau saum npoo dej, hauv qhov nruab nrab homogeneous propagates raws txoj kev ncaj.
Cia li xav txog lub nthwv dej pem hauv ntej uas muaj qhov tiaj tus thiab txav mus rau hauv ib qho kev taw qhia. Yuav ua li cas yog tias muaj kev cuam tshuam ntawm txoj kev ntawm lub hauv ntej no? Txhua yam tuaj yeem ua qhov cuam tshuam (pob zeb, lub tsev, qhov nqaim, thiab lwm yam). Nws hloov tawm tias tom qab dhau los ntawm kev cuam tshuam, lub nthwv dej pem hauv ntej yuav tsis tiaj tus, tab sis yuav ua rau cov duab ntau dua. Yog li ntawd, nyob rau hauv cov ntaub ntawv ntawm ib tug me me puag ncig lub qhov, lub yoj pem hauv ntej, dhau los ntawm nws, ua spherical.
Qhov tshwm sim ntawm kev hloov cov kev taw qhia ntawm nthwv dej propagation, thaum nws ntsib ib qho teeb meem ntawm nws txoj kev, hu ua diffraction (diffractus los ntawm Latin txhais tau tias"tuag").
Qhov tshwm sim ntawm qhov tshwm sim no yog qhov nthwv dej nkag mus rau hauv qhov chaw tom qab qhov kev cuam tshuam, qhov twg nws yuav tsis raug ntaus hauv nws txoj kab rov tav.
Ib qho piv txwv ntawm nthwv dej sib txawv ntawm ntug hiav txwv yog qhia hauv daim duab hauv qab no.
Diffraction soj ntsuam tej yam kev mob
Cov lus piav qhia saum toj no ntawm nthwv dej tawg thaum hla kev cuam tshuam yog nyob ntawm ob yam:
- wavelength;
- geometric parameters of the obstacle.
Nyob rau hauv qhov xwm txheej twg yog yoj diffraction pom? Txhawm rau kom nkag siab zoo dua ntawm cov lus teb rau lo lus nug no, nws yuav tsum raug sau tseg tias qhov tshwm sim nyob rau hauv kev xav ib txwm tshwm sim thaum nthwv dej ntsib ib qho teeb meem, tab sis nws yuav pom tau tsuas yog thaum lub wavelength yog qhov kev txiav txim ntawm geometric parameters ntawm qhov teeb meem. Txij li cov wavelengths ntawm lub teeb thiab suab me me piv rau qhov loj ntawm cov khoom nyob ib puag ncig peb, qhov sib txawv ntawm nws tus kheej tsuas yog tshwm sim hauv qee qhov tshwj xeeb.
Vim li cas yoj diffraction tshwm sim? Qhov no tuaj yeem nkag siab yog tias peb xav txog txoj cai Huygens-Fresnel.
Huygens txoj cai
Nyob rau hauv nruab nrab ntawm lub xyoo pua 17th, Dutch physicist Christian Huygens tau tso rau pem hauv ntej txoj kev xav tshiab ntawm kev nthuav tawm ntawm lub teeb nthwv dej. Nws ntseeg tias, zoo li lub suab, lub teeb txav mus rau hauv qhov nruab nrab tshwj xeeb - ether. Lub teeb nthwv dej yog kev co ntawm ether hais.
Xav txog lub nthwv dej kheej kheej ua ntej tsim los ntawm qhov chaw teeb pom kev zoo, Huygens tuaj rau qhov xaus hauv qab no: nyob rau hauv tus txheej txheem ntawm kev txav, pem hauv ntej dhau los ntawm cov ntsiab lus spatial hauvtshaj tawm. Thaum nws ncav cuag lawv, nws ua rau nws tsis xis nyob. Cov ntsiab lus oscillating, nyob rau hauv lem, tsim ib tiam tshiab ntawm nthwv dej, uas Huygens hu ua theem nrab. Los ntawm txhua qhov taw tes cov nthwv dej thib ob yog kheej kheej, tab sis nws ib leeg tsis txiav txim siab qhov chaw ntawm lub hauv ntej tshiab. Qhov tom kawg yog qhov tshwm sim ntawm superposition ntawm txhua tus kheej kheej thib ob nthwv dej.
Cov txiaj ntsig tau piav qhia saum toj no yog hu ua Huygens txoj cai. Nws tsis piav txog qhov sib txawv ntawm nthwv dej (thaum tus kws tshawb fawb tsim nws, lawv tseem tsis tau paub txog qhov sib txawv ntawm lub teeb), tab sis nws tau piav qhia txog cov teebmeem xws li kev xav thiab kev cuam tshuam ntawm lub teeb.
Raws li Newton txoj kev xav ntawm lub cev ntawm lub teeb tau kov yeej hauv lub xyoo pua 17th, Huygens txoj haujlwm tsis nco qab txog 150 xyoo.
Thomas Jung, Augustin Fresnel thiab kev txhawb siab ntawm Huygens txoj cai
Qhov tshwm sim ntawm qhov sib txawv thiab cuam tshuam ntawm lub teeb tau pom nyob rau xyoo 1801 los ntawm Thomas Young. Ua kev sim nrog ob txoj hlua los ntawm qhov uas lub teeb ci monochromatic pem hauv ntej dhau mus, tus kws tshawb fawb tau txais ntawm qhov screen ib daim duab ntawm alternating tsaus thiab lub teeb kab txaij. Jung tau piav qhia tag nrho cov txiaj ntsig ntawm nws qhov kev sim, xa mus rau qhov nthwv dej ntawm lub teeb, thiab yog li lees paub Maxwell qhov kev xam pom.
Thaum Newton txoj kev xav ntawm lub cev ntawm lub teeb tau tsis lees paub los ntawm Young qhov kev sim, tus kws tshawb fawb Fab Kis Augustin Fresnel nco txog Huygens txoj haujlwm thiab siv nws lub hauv paus ntsiab lus los piav qhia qhov tshwm sim ntawm qhov sib txawv.
Fresnel ntseeg hais tias yog ib qho hluav taws xob nthwv dej, nthuav tawm hauv txoj kab ncaj nraim, ntsib qhov teeb meem, ces ib feem ntawm nws lub zog poob. Qhov seem yog siv rau kev tsim cov nthwv dej thib ob. Qhov kawg ua rau qhov tshwm sim ntawm nthwv dej tshiab pem hauv ntej, kev taw qhia ntawm kev nthuav tawm uas txawv ntawm qhov qub.
Cov txiaj ntsig tau piav qhia, uas tsis suav nrog ether thaum tsim cov nthwv dej thib ob, hu ua Huygens-Fresnel txoj cai. Nws txawj piav txog qhov sib txawv ntawm nthwv dej. Ntxiv mus, lub hauv paus ntsiab lus no yog tam sim no siv los txiav txim lub zog poob thaum lub sij hawm nthuav tawm ntawm electromagnetic nthwv dej, ntawm txoj kev uas muaj kev cuam tshuam.
Nqe slit diffraction
Txoj kev xav ntawm kev tsim cov qauv diffraction yog qhov nyuaj heev los ntawm kev ua lej ntawm qhov pom, txij li nws cuam tshuam nrog kev daws teeb meem ntawm Maxwell qhov sib npaug rau electromagnetic tsis. Txawm li cas los xij, lub hauv paus ntsiab lus Huygens-Fresnel, nrog rau ntau qhov kev kwv yees, ua rau nws muaj peev xwm kom tau txais cov qauv lej tsim nyog rau lawv cov kev siv tau.
Yog tias peb xav txog qhov sib txawv ntawm qhov nyias nyias, uas lub dav hlau yoj pem hauv ntej ntog mus rau qhov sib npaug, ces cov kab txaij ci thiab tsaus nti yuav tshwm sim ntawm qhov screen nyob deb ntawm qhov slit. Qhov minima ntawm tus qauv diffraction hauv qhov no tau piav qhia los ntawm cov qauv hauv qab no:
ym=mλL/a, where m=± 1, 2, 3, …
Ntawm no ym yog qhov kev ncua deb ntawm qhov kev txiav txim siab mus rau qhov screen mus rau qhov tsawg kawg nkaus ntawm kev txiav txim m, λ yog lub teeb wavelength, L yog qhov deb ntawm qhov screen, a yog qhov dav dav.
Nws ua raws los ntawm kev qhia tias qhov siab tshaj plaws hauv nruab nrab yuav pom qhov muag plooj yog tias qhov dav dav txo qis thiabnce lub wavelength ntawm lub teeb. Daim duab hauv qab no qhia tau hais tias tus qauv diffraction sib thooj yuav zoo li cas.
Diffraction grating
Yog tias ib txheej ntawm qhov piv txwv saum toj no tau siv rau ib lub phaj, ces qhov hu ua diffraction grating yuav tau txais. Siv lub hauv paus ntsiab lus Huygens-Fresnel, ib tus tuaj yeem tau txais ib qho qauv rau lub maxima (ci bands) uas tau txais thaum lub teeb hla dhau qhov grating. Cov mis zoo li no:
sin(θ)=mλ/d, where m=0, ±1, 2, 3, …
Ntawm no, qhov ntsuas d yog qhov kev ncua deb ntawm qhov ze tshaj plaws ntawm qhov grating. Qhov me me ntawm qhov kev ncua deb no, qhov ntau dua qhov kev ncua deb ntawm cov kab ci ntsa iab hauv cov qauv diffraction.
Txij thaum lub kaum sab xis θ rau m-th xaj maxima nyob ntawm lub wavelength λ, thaum lub teeb dawb dhau los ntawm qhov sib txawv grating, ntau xim kab txaij tshwm rau ntawm qhov screen. Cov nyhuv no yog siv rau hauv kev tsim cov spectroscopes muaj peev xwm txheeb xyuas cov yam ntxwv ntawm emission los yog nqus ntawm lub teeb los ntawm ib qho chaw, xws li hnub qub thiab galaxies.
Qhov tseem ceeb ntawm qhov sib txawv hauv cov cuab yeej kho qhov muag
Ib qho ntawm cov yam ntxwv tseem ceeb ntawm cov cuab yeej xws li lub koob yees duab lossis lub tshuab tsom iav yog lawv qhov kev daws teeb meem. Nws yog to taub raws li qhov tsawg kawg nkaus lub kaum sab xis, thaum pom nyob rau hauv uas ib tug neeg cov khoom tseem distinguishable. Lub kaum sab xis no yog txiav txim siab los ntawm kev tsom xam yoj diffraction raws li Rayleigh cov qauv siv cov qauv hauv qab no:
sin(θc)=1, 22λ/D.
D yog qhov kab ntawm lub lens ntawm lub cuab yeej.
Yog tias peb siv qhov ntsuas no rau Hubble telescope, peb tau txais tias lub cuab yeej ntawm qhov deb ntawm 1000 lub xyoo teeb tuaj yeem paub qhov txawv ntawm ob yam khoom, qhov kev ncua deb ntawm qhov zoo ib yam ntawm lub hnub thiab Uranus.
