Diffraktion (fysik)

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Hvis huldiameteren er betydeligt mindre end bølgelængden, skabes der sfæriske bølger bagved.

Diffraktion eller diffraktion er afbøjning af bølger ved en forhindring. Ved diffraktion kan en bølge forplante sig ind i rumområder, der ville blive blokeret på en lige sti af forhindringen. Enhver form for fysisk bølge kan vise diffraktion. Det er især mærkbart i tilfælde af vandbølger eller lyd . I tilfælde af lys er diffraktion en faktor, der begrænser opløsningen af kameralinser og teleskoper . Nogle tekniske komponenter, såsom diffraktionsgitre , gør målrettet brug af diffraktion.

Diffraktion sker ved oprettelsen af ​​nye bølger langs en bølgefront i henhold til Huygens-Fresnel-princippet . Disse kan føre til interferensfænomener gennem overlejring.

I modsætning til diffraktion, med spredning, afbøjes stråling af partiklers interaktion. I tilfælde af sammenhængende , sammenhængende spredning taler man også om refleksion .
I tilfælde af brydning er afbøjningen af stråling baseret på ændringen i forplantningshastigheden med en ændring i densiteten eller sammensætningen af formeringsmediet , tydeligst når det passerer gennem en fasegrænse .

historie

Christiaan Huygens bemærkede allerede i 1650, at visse tidligere uforklarlige fænomener kan beskrives med lysets udbredelse i bølgeform. Han formulerede Huygens -princippet og grundlagde dermed bølgeoptik . Effekten af ​​diffraktion af lys ved en optisk spalte blev endelig observeret i 1662 af Francesco Maria Grimaldi , der beskrev lyset som en bølge i sit værk De lumine . I 1802 udførte Thomas Young tilsvarende forsøg på den dobbelte spalte . En komplet fysisk beskrivelse af diffraktion kunne leveres af Augustin Jean Fresnel i 1818, som oprindeligt blev stillet spørgsmålstegn ved af Siméon Denis Poisson , men kort tid efter af François Arago gennem det eksperimentelle bevis på Poisson -pletterne, der teoretisk var forudsagt af Poisson selv under diffraktion på en bold, kunne blive bekræftet.

I 1835 undersøgte Friedrich Magnus Schwerd diffraktionsfænomener på regelmæssige riste, som også kunne beskrives ved hjælp af bølgeoptik. I 1909 kunne Geoffrey Ingram Taylor vise i Taylor-eksperimentet, at lys med ekstremt lav intensitet, dvs. også individuelle fotoner , er diffraktioneret, hvormed bølge-partikel dualisme kunne demonstreres.

I 1924 udviklede Louis-Victor de Broglie teorien om stofbølger , og bare tre år senere kunne Clinton Joseph Davisson og George Paget Thomson gennem forsøg med elektrondiffraktion vise, at partikler med masse også kan bukkes. Yderligere tre år senere var Otto Stern , Otto Robert Frisch og Immanuel Estermann også i stand til at påvise denne effekt ved diffraktion af stråler fra heliumatomer og brintmolekyler på en lithiumfluoridkrystal . I 1961 udførte Claus Jönsson endelig eksperimenter med diffraktion af elektroner ved enkelte og dobbelte spalter .

Diffraktion ved mellemgulve

Diffraktion ved en enkelt spalte med spaltebredde s og nedbøjningsvinkel φ : Billedet illustrerer dæmpningen af ​​strålingen ved det første minimum. For at illustrere dette er bundtet af stråler opdelt i to halvdele, så en stråle fra den nederste halvdel med stiforskellen d kan tildeles hver enkelt stråle fra den øvre halvdel. Hvis d er lig med halvdelen af ​​bølgelængden λ, er der et minimumsintensitet, da en individuel stråles bølgetoppe i den øvre halvdel overlejres af et bølgetrug af en stråle i den nederste halvdel. For de følgende ordrer af minima er strålen opdelt i fire, seks osv. Dele. [1]

På grund af lysets bølgetype adskiller dets virkelige adfærd sig delvis stærkt fra, hvad den geometriske optik ville få en til at forvente. I fotografering, for eksempel, er opløsningen af ​​et foto begrænset af objektivets diameter ( blænde ) på grund af diffraktion.

Den fysiske model for diffraktion er Huygens-Fresnel-princippet . Til beregning af diffraktionsmønstrene bruges Kirchhoff diffraktionsintegral , de to begrænsende tilfælde Fresnel diffraktion (divergerende punktkilde for stråling) og Fraunhofer diffraktion er (parallelle lysstråler som strålingskilden). [2] Superpositionen af ​​de elementære bølger kan føre til gensidig forstærkning (konstruktiv interferens ) eller gensidig svækkelse (destruktiv interferens) eller endda annullering, se også vejforskel .

Slid og intensitetsfordeling af monokromatisk lys bag spalten som et billede og en kurve for en smal (over) eller bred spalte. Diffraktionsfænomenerne er tydeligt genkendelige med en smal spalte, minima og maksima forekommer, bølgelængde og spaltebredde er af samme størrelsesorden.

Diffraktion kan observeres godt, blandt andet hvis geometriske strukturer spiller en rolle, hvis størrelse er sammenlignelig med bølgelængden af de anvendte bølger. Optiske membraner dimensioneres afhængigt af applikationen på en sådan måde, at de forårsager diffraktionseffekter - dvs. med dimensioner i området og under lysbølgelængden eller med tilstrækkelig nøjagtighed ingen - derefter med dimensioner langt over lysbølgelængden.

Eksempler på diffraktion ved membraner

Diffraktion ved en enkelt spalte : Hvis du mentalt deler et let bundt, som afbøjes i en bestemt retning ved en enkelt spalte, i to halvdele, kan disse to dele af lysbundtet konstruktivt eller destruktivt overlappe hinanden. En række diffraktionsmaxima resulterer igen ved en spalte.

Diffraktionsmønstre, der i nogle tilfælde er meget forskellige, skyldes membraner af andre former.

Diffraktion ved risten

Diffraktion af en laserstråle på et optisk gitter
Diffraktion ved gitteret (g = gitterkonstant, φ = nedbøjningsvinkel, d = stiforskel)

Gitter er mellemgulve med periodiske kolonner. Diffraktion ved risten er derfor et vigtigt specielt tilfælde af diffraktion ved membraner.

Optisk gitter
Hvis der arrangeres mange huller med jævne mellemrum, resulterer en række diffraktionsrefleksioner, hvis arrangement svarer til det, man ville forvente med et dobbelt hul med samme afstand. Når antallet af individuelle kolonner stiger, bliver refleksionerne imidlertid stadigt skarpere linjer. Da refleksionernes position afhænger af lysets bølgelængde, kan optiske gitre bruges til at adskille forskellige bølgelængder. Dette er tilfældet i monokromatoren og i spektroskopi . I praksis bruges regelmæssige arrangementer af reflekterende og ikke-reflekterende strimler meget ofte som refleksionsgitre . Den uprintede side af en cd ligner hinanden.
Diffraktion på krystalgitteret, Bragg -ligning
Røntgendiffraktion
Dette bruges i krystallografi til at bestemme og måle krystalgitter . Bølgelængden af røntgenstrålingen er sammenlignelig med gitterafstanden i krystallen, og krystalgitteret fungerer som et multidimensionalt optisk gitter.

Andre typer bølger

I princippet gælder love, der gælder for diffraktion af lysbølger, også for andre bølgefænomener.

Weblinks

Commons : Diffraktion (fysik) - album med billeder, videoer og lydfiler

Referencer og kommentarer

  1. F. Dorn, F. Bader: Fysik øverste niveau. Schroedel, Hannover 1986, ISBN 3-507-86205-0 .
  2. Både Fresnel-diffraktion og Fraunhofer-diffraktion er tilnærmelser til fjernfelt med hensyn til Maxwells ligninger , fordi afstanden mellem diffraktionsobjekterne og lyskilden generelt er meget større end lysbølgelængden i begge tilfælde.
  3. Markus Arndt, Olaf Nairz, Julian Vos-Andreae, Claudia Keller, Gerbrand van der Zouw, Anton Zeilinger: Bølge-partikel-dualitet af C60-molekyler . I: Naturen . tape   401 , nr.   6754 , 14. september 1999, s.   680-682 , doi : 10.1038 / 44348 .