§ 5. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА; ДИФРАКЦИОННЫЙ СПЕКТР

Если на пути световой волны находятся непрозрачные тела или экраны с отверстиями, то за этими телами образуется область тени. Эту область можно очертить геометрически (рис. IV. 18, а), полагая, что свет распространяется прямолинейно, т. е. световые лучи суть прямые линии. Более детальные наблюдения показывают, что световая волна заходит в область геометрической тени, причем на границе между областями света и тени появляются чередующиеся максимумы и минимумы света, свидетельствующие о некотором перераспределении световой энергии на этой границе. Огибание световой волной границ непрозрачных тел с образованием интерференционного перераспределения энергии по различным направлениям называется дифракцией волны.

Рис. IV.18

На рис. IV.18, б кривая показывает распределение на экране интенсивности света, испытавшего дифракцию от края пластинки

Явления дифракции можно объяснить, пользуясь принципом Гюйгенса. Согласно этому принципу, каждую точку фронта световой волны, заданного в некоторый момент времени (например, когда волна дошла до пластинки можно рассматривать как самостоятельный источник элементарной волны (сферической в однородной и изотропной среде). Огибающая всех этих элементарных волн заходит в область геометрической тени и дает искомое расположение фронта волны в последующие моменты времени. Однако при этом остается открытым вопрос о распределении энергии вдоль фронта волны; если это распределение задано в начале волны, то его необходимо найти и Для последующих моментов времени. Эту задачу можно решить; если воспользоваться дополнительным указанием, которое сделал Френель к принципу Гюйгенса, а именно: необходимо найти результат интерференции элементарных волн для каждой точки пространства.

Рассмотрим один простой пример; допустим, что через отверстие в непрозрачном экране непрерывно проходит плоская монохроматическая световая волна, энергия которой равномерно распределена вдоль фронта волны. Каждую точку фронта волны в сечении согласно принципу Гюйгенса, можно заменить самостоятельным источником элементарной сферической волны. Если построить огибающие этих элементарных волн для различных моментов времени, то

оказывается, что фронт волны заходит в область геометрической тени (рис. IV. 19, а). Необходимо теперь выяснить, какая часть энергии волны заходит в область тени. Для этого, по Френелю, необходимо найти результат интерференции элементарных волн в каждой интересующей нас точке С (в частности, эта точка может лежать на экране, поставленном за отверстием). Обычно за отверстием ставят линзу, которая «сортирует» световые лучи по направлениям; та часть световой волны, которая проходит через отверстие в прямом направлении, соберется линзой в одной точке О (рис. IV. 19, б). Другие части световой волны, идущие, например, в направлениях или соберутся линзой в других точках фокальной плоскости, где располагается экран .

Рис. IV.19

Таким образом, распределение освещенности на экране, расположенном в фокальной плоскости линзы, показывает, как распределена энергия по различным направлениям у прошедшей через отверстие световой волны.

При определении результатов интерференции (сложения) элементарных волн в каждой интересующей нас точке пространства (например, экрана) необходимо учесть фазы, амплитуды и направления векторов каждой волны. Эта задача очень сложная, и поэтому мы ограничимся рассмотрением простых случаев, где можно воспользоваться элементарными рассуждениями и расчетами.