§ 132. Простейшие дифракционные явления

Простейший случай нарушения законов геометрической оптики был описан в § 80, где было показано, что в случае прохождения света через очень малое отверстие не соблюдается правило прямолинейного распространения: свет на краях отверстия заметно отклоняется в стороны, огибая края. Такого рода огибание можно при внимательном наблюдении обнаружить при отбрасывании на экран тени от любого препятствия, даже если оно не очень мало. Но так как угол отклонения света от направления прямолинейного распространения обычно невелик, то наблюдение облегчится, если экран расположить далеко от препятствия.

Так, свет, идущий от небольшого яркого источника через круглое отверстие диаметра  (рис. 274. а), должен по правилам геометрической оптики дать на экране  резко ограниченный светлый кружок на темном фоне (рис. 274, б). Такая картина и наблюдается практически при обычных условиях опыта. Но если расстояние от отверстия до экрана в несколько тысяч раз превосходит размеры отверстия, то удается наблюдать важные детали явления: образуется более сложная картина, которая состоит из совокупности светлых и темных концентрических колец, постепенно переходящих друг в друга (рис. 274, в). При другом соотношении между диаметром отверстия и расстоянием до экрана в центре картины может быть темное пятно. Этот случай особенно наглядно характеризует волновые свойства света и совершенно необъясним с позиции геометрической оптики (подробнее см. § 133).

Рис. 274. Дифракция от круглого отверстия: а) схема опыта; б) вид тени, когда диаметр отверстия  сравним с расстоянием  от отверстия до экрана; в) вид тени, когда диаметр отверстия  в тысячи раз меньше расстояния  от отверстия до экрана

Таким образом, для наблюдения описанного случая дифракции надо применить или очень малое отверстие (сотые доли миллиметра, если мы хотим сделать опыт на лабораторном столе) или прибегнуть к расположению экрана на большом расстоянии от отверстия (сотни метров, если мы хотим работать с отверстиями в несколько миллиметров).

Точно так же при освещении маленьким источником достаточно больших непрозрачных предметов, расположенных сравнительно недалеко от экрана, получаем вполне резкие тени. Но если расстояние от предмета до экрана значительно превосходит размеры предмета, то тень приобретает сложный характер.

На рис. 275, а изображена тень от прямолинейного предмета (проволочки или карандаша), отброшенная на отдаленный экран. Внутри тени наблюдаются области, куда заходит свет, а края тени окаймлены рядом светлых и темных полос. На рис. 275, б изображена тень от шурупа, полученная в таких же условиях. Сложный характер картины показывает, что свет значительно уклоняется от прямых линий, загибаясь около краев и давая ряд светлых и темных областей, лишь отдаленно напоминающих резкую тень, подобную предмету. На рис. 275, в изображена тень руки, держащей тарелку. Опыты были осуществлены в 1912 г. В. К- Аркадьевым и А. Г. Калашниковым в Московском университете и проводились с уменьшенной моделью руки с тарелкой. Расстояния от модели до экрана, проставленные на рисунке, пересчитаны для опыта с тарелкой натуральной величины. Чем дальше расположен экран, тем меньше сходство между очертаниями тени и предмета.

Рис. 275. Фотографии дифракционных картин (тень отбрасывается на экран): а) дифракция от проволоки  и карандаша; б) дифракция от шурупа; в) дифракция от руки, держащей тарелку, при различном расстоянии от руки до экрана

Описанные выше явления нарушения закона прямолинейного распространения света получили название дифракции света.