§ 41. Дифракция

Образование тени в случае световых волн — часто наблюдаемое и привычное явление. Иначе обстоит дело со звуковыми волнами. От них очень трудно заслониться. Мы слышим звук из-за угла дома или стоя за забором, за деревом и т. п. Почему эти препятствия не отбрасывают «звуковой  тени»?

Обратим внимание на следующее обстоятельство. Длина звуковой волны в воздухе при частоте  равна , а при частоте  она составляет уже . Таким образом, размеры обычно окружающих нас предметов (за исключением больших домов) отнюдь не велики по сравнению с длиной звуковой волны. Между тем в опыте с водяной ванной, описанном в предыдущем параграфе, при наблюдении правильного отражения и образования тени мы применяли препятствие (пластинку) значительно большего  размера,  чем длина волны .

Рис. 86. Позади малого препятствия тени нет

Как будет зависеть характер образующейся тени от размеров препятствия?

Поставим на пути прямолинейной поверхностной волны в водяной ванне препятствия различного размера (рис. 86). Мы увидим, что, когда препятствие достаточно велико по сравнению с длиной волны  (рис. 86, а), тень от него сравнительно резкая: лишь у самых краев тени заметно небольшое волнение, указывающее, что волна слегка огибает край препятствия. По мере уменьшения препятствия тень оказывается менее ясно выраженной (рис. 86, б), а когда размеры препятствия становятся сравнимыми с длиной волны, образования тени практически уже не происходит. Рис. 86, в показывает, что в этом случае водяная волна огибает препятствие, и позади него она распространяется почти так же, как если бы препятствия не было. Это огибание волной края препятствия, особенно отчетливо наблюдаемое при малых по сравнению с длиной волны размерах препятствия, называется дифракцией.

Отсутствие в обычных условиях хорошо выраженной звуковой тени и есть результат дифракции звуковых волн, которую мы наблюдаем, таким образом, буквально на каждом шагу. Дифракцию световых волн наблюдать не так просто, как в случае звука, так как длины световых волн очень малы — всего несколько десятитысячных долей миллиметра.

Дифракция — одно из важнейших явлений, свойственных всякому волновому процессу. Мы подробно изучим ее в разделе «Физическая оптика». Там мы увидим, в частности, что дифракция не позволяет различать сколь угодно малые детали предмета, рассматриваемого с помощью какого-либо оптического инструмента (в том числе и невооруженным глазом). Из-за дифракции же нельзя получить с помощью рупоров, зеркал, отверстий в экранах (диафрагм) и любых других средств сколь угодно узкие волновые пучки. Это нетрудно показать на водяных волнах.

Рис. 87. Дифракция не позволяет выделить сколь угодно узкий волновой пучок

Поставим на пути прямолинейной поверхностной волны в нашей водяной ванне две пластинки, промежуток между которыми выделяет из этой волны ограниченный пучок (рис. 87, а). Сближая пластинки, мы увидим, что вырезаемый ими пучок отнюдь не делается как угодно узким. По мере сужения промежутка все больше проявляется дифракция — огибание волной краев пластинок (рис. 87, б). Наконец, когда ширина промежутка становится сравнимой с длиной волны или еще меньше, мы получаем позади пластинок не узкий пучок, а полукольцевые волны, расходящиеся во все стороны из промежутка, как из центра (рис. 87, в).