пятница, 19 сентября 2014 г.

ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

А теперь давайте поговорим о дифракции и интерференции как об основных виновницах появления в физике понятия электромагнитная волна.
Интерференционная и дифракционная картины удивительным образом схожи между собой. И в том, и в другом случае мы можем наблюдать на экране чередование освещенных и темных участков (полос или колец). Это и неудивительно, что они схожи, ведь в основе образования обоих явлений лежит одно и то же явление – отклонение движущихся фотонов за счет действия притяжения со стороны химических элементов. Но мы немного забежали вперед. А пока давайте приведем научные определения и описания понятий дифракция и интерференция.


 Интерференционные и дифракционные картины

«При наложении в пространстве двух (или нескольких) когерентных волн в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Это явление называется интерференцией волн» (Т.И. Трофимова, «Курс физики», Глава 19 «Упругие волны»)
«Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле – любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие щели в экранах и т.д.» (Т.И. Трофимова, «Курс физики», Глава 23 «Дифракция света»). Явление дифракции «обнаружил в середине семнадцатого века итальянец Гримальди…». «Гримальди обладал исключительно острым зрением и смог увидеть то, что ускользало от взгляда других исследователей световых явлений. А именно: нерезкие контуры предметов при их освещении источниками света небольшого размера» (В.И. Рыдник, «Многоцветье спектров»). Гримальди предложил способ увидеть дифракцию для людей с очень острым зрением. Что касается людей с обычным зрением, то им можно предложить дифракционную картину, получаемую: 1) дифракцией Френеля на круглом отверстии; 2) дифракцией Френеля на диске; 3) дифракцией Фраунгофера на одной щели; 4) дифракцией Фраунгофера на дифракционной решетке.
------------------------------------------------------------------------------------------
1) «Дифракционная картина на круглом отверстии… будет иметь вид чередующихся темных и светлых колец…, причем интенсивность максимумов убывает с расстоянием от центра картины» (Т.И. Трофимова, «Курс физики», Глава 23 «Дифракция света»). В центре дифракционной картины данного типа может быть темное или светлое кольцо.
Максимумами в дифракционных и интерференционных картинах называют освещенные участки на экране, а минимумами – темные.
-------------------------------------------------------------------------------------------
2) Дифракционная картина на диске возникает, когда световая волна встречает на своем пути диск. В точке на экране, лежащей на прямой, которая соединяет источник света с центром диска, наблюдается центральный максимум. «Центральный максимум окружен концентрическими с ним темными и светлыми кольцами, а интенсивность максимумов убывает с расстоянием от центра картины» (Т.И. Трофимова, «Курс физики», Глава 23 «Дифракция света»).
-------------------------------------------------------------------------------------------
3) Дифракция Фраунгофера на одной щели. «При освещении щели белым светом центральный максимум имеет вид белой полоски… Боковые максимумы радужно окрашены». Они обращены «фиолетовым краем к центру дифракционной картины» (Т.И. Трофимова, «Курс физики», Глава 23 «Дифракция света»).
При освещении щели монохроматическим светом освещенные полосы на экране будут, соответственно, окрашены в тот или иной цвет, а радужных полос не будет. «…сужение щели приводит к тому, что центральный максимум расплывается, а его яркость уменьшается (это, естественно, относится и к другим максимумам). Наоборот, чем щель шире…, тем картина ярче, но дифракционные полосы уже, а число самих полос больше». При размерах щели, значительно превышающих длину электромагнитной волны света данного цвета, «в центре получается резкое изображение источника света, т.е. имеет место прямолинейное распространение света» (Т.И. Трофимова, «Курс физики», Глава 23 «Дифракция света»).
-----------------------------------------------------------------------------------------
4) Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.
Дифракционная решетка – система «параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками». «…при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального (m=0), разложатся в спектр, фиолетовая область которого будет обращена к центру дифракционной картины, красная – наружу» ( Т.И. Трофимова, «Курс физики», Глава 23 «Дифракция света»).
«Чем больше щелей…, тем… более интенсивными и более острыми будут максимумы» (Т.И. Трофимова, «Курс физики», Глава 23 «Дифракция света»).
«Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей, т.е. в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей» (Т.И. Трофимова, «Курс физики», Глава 23 «Дифракция света»).
Теперь, когда приведен основной набор цитат, дающих представление о дифракции и интерференции, давайте попробуем разобраться в их природе.
Начнем с того, что геометрическая оптика занимается исследованием закономерностей распространения световых лучей в оптически прозрачных средах – в газах, жидкостях (большинстве), стекле и ряде других плотных минералов. Напомним, что световой луч представляет собой поток видимых фотонов. А видимые фотоны, как и другие элементарные частицы, способны подчиняться Силам Притяжения со стороны других частиц (элементов или тел).
Сторонники корпускулярной теории света не смогли объяснить явления дифракции и интерференции со своих позиций именно потому, что не сочли нужным наделить фотоны истинным корпускулярным «правом» – правом притягиваться. Отсюда – вся «волновая неразбериха» в теории света, не укладывающийся в голове «корпускулярно-волновой дуализм» и прочие ошибочные представления.
А сейчас мы приведем из «Курса физики» Т. И. Трофимовой – учебника физики для вузов – еще одну цитату, из которой становится видно, что Ньютон совершенно верно объяснял причину преломления света и, соответственно, причину разбираемых нами дифракции и интерференции.
«Преломление света Ньютон объяснил притяжением корпускул преломляющей средой…» 
Так что же это за удивительные явления – дифракция и интерференция – и как можно объяснить их природу, опираясь на законы классической механики, как и предлагал Ньютон?
Явление дифракции – это не что иное, как отклонение видимых фотонов, движущихся в составе светового луча, от первоначальной траектории под действием Силы Притяжения со стороны какого-либо объекта с Полем Притяжения, например, химического элемента (или элементов) среды, сквозь которую движется поток фотонов.
И дифракционную, и интерференционную картинки можно рассматривать в качестве проекции на экран химических элементов, располагающихся в отверстии (или щели). Размеры проделываемых отверстий и щелей очень малы. Поэтому число химических элементов в отверстиях или щелях поддается исчислению. По этой же причине ограничено количество видимых фотонов, проходящих сквозь отверстие или щель. Впрочем, как и ограничено число частиц остальных типов, движущихся в составе светового луча, – радио, ИК фотонов. Химические элементы, заполняющие отверстие или щель, создают в пролетающих мимо них фотонах Силу Притяжения, которая, соперничая с Силой Инерции, движущей фотоны, приводит к возникновению равнодействующей Силы – т.е. происходит преломление траектории движения фотонов.
Давайте проанализируем, почему на экране, где отображается дифракционная картинка, мы видим максимумы и минимумы освещенности, т.е. светлые и темные полосы. Максимумы, т.е. светлые полосы или кольца – это проекции участков между химическими элементами в отверстии или щели. Там, где фотоны могут проходить беспрепятственно, не встречая на пути химический элемент, мы видим на картинке максимум – светлый участок. А где фотоны натыкаются на химический элемент, мы видим на картинке минимум – темный участок. Каждый химический элемент становится причиной одного минимума – одного темного участка. Промежуток между двумя химическими элементами – это причина максимума – светлого участка. Плавность перехода от светлого участка к темному, т.е. постепенный, а не резкий переход от светлой полосы к темной, объясняется притяжением фотонов химическим элементом. Как известно, с уменьшением расстояния величина Силы Притяжения растет. Поэтому чем ближе к химическому элементу проходит поток фотонов, тем большее их число из этого потока притягивается элементом – поглощается им. Тем самым, происходит ослабление светового луча, проходящего сквозь щель или отверстие. И чем ближе к химическому элементу, тем темнее участок, проецирующийся на экран. Вот так и возникает дифракционная картинка.
Если вы взглянете на дифракционную картинку, неважно, в виде колец или полос, то легко заметите, что в направлении от центрального максимума к периферии ширина полос (колец) постепенно возрастает.
«Интенсивность максимумов убывает в направлении от центра картины». Данный факт легко объяснить притяжением фотонов со стороны химических элементов материала, в котором проделано отверстие (или щели). Эта Сила Притяжения ослабляет световой поток. Химические элементы краев материала поглощают движущиеся фотоны. И чем ближе к периферии, т.е. к краям, тем меньше фотонов доходит до экрана, т.е. тем больше ослабевают максимумы. Тем меньше их яркость.
«В центре дифракционной картины на круглом отверстии может быть светлое или темное пятно». Темное пятно на экране объясняется наличием в центре отверстия химических элементов воздуха. Химический элемент – это препятствие на пути у движущихся фотонов. Там, где фотоны не проходят, на экране темный участок. Соответственно, светлое пятно объясняется свободным пространством в центре отверстия – там нет препятствий на пути у движущихся фотонов, т.е. нет химических элементов воздуха. В результате на экране мы видим светлое пятно.



Дифракция – в центре темное пятно и дифракция – в центре светлое пятно

Давайте отвлечемся от пояснения смысла отдельных моментов, встреченных нами в тексте, который посвящен описанию дифракционной картины, и поговорим о том, какие именно элементы воздуха заполняют прорезанные щели и отверстия.
Состав воздуха нашей планеты следующий: азот – 78, 08%, кислород – 20,98%, водород и инертные газы – 0,94%, углекислый газ – 0,03%. Как вы можете видеть, в численном отношении в атмосфере планеты больше всего азота. Кислорода меньше азота более чем в половину. Процент остальных газов весьма невелик. Азот, как известно, это достаточно инертный в реакционном отношении газ. Элементы кислорода характеризуются большими по величине суммарными Полями Отталкивания, нежели элементы азота. По этой причине элементы кислорода в меньшей мере притягиваются элементами вещества материала, в котором проделаны отверстия или щели. Так что практически всегда, когда щели или отверстия проделываются в воздушной атмосфере, они заполнены элементами азота. Поэтому дифракционная картина такого рода – это проекция на экран элементов азота, заполняющих щель или отверстие.
Если же речь идет не о проделанном отверстии или щели, а о прозрачных участках в материале, чередующихся с непрозрачными (Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке), тогда, конечно, ни о каком заполнении элементами азота речи не идет. Просто в прозрачных участках материала достаточно свободного пространства между элементами, для того чтобы между ними могли проходить фотоны.
А теперь снова вернемся к объяснению отдельных моментов явления дифракции, которые мы цитировали ранее.
«Дифракционная картина на диске возникает, когда световая волна встречает на своем пути диск. В точке на экране, лежащей на прямой, соединяющей источник света с центром диска, наблюдается центральный максимум». Материал диска отклоняет в своем направлении движущиеся фотоны. И так как диск круглый, то отклоняющиеся фотоны со всех сторон диска в конечном итоге образуют в совокупности единое световое пятно в центре картины – центральный максимум.
Примерно также можно объяснить следующий факт: «…сужение щели приводит к тому, что центральный максимум расплывается, а его яркость уменьшается (это, естественно, относится и к другим максимумам). Наоборот, чем щель шире…, тем картина ярче, но дифракционные полосы уже, а число самих полос больше». При размерах щели, значительно превышающих длину электромагнитной волны света данного цвета, «в центре получается резкое изображение источника света, т.е. имеет место прямолинейное распространение света»
Данный факт можно объяснить следующим образом. Гравитационные поля элементов материала, в котором проделана щель, имеют большую величину по сравнению с элементами азота, заполняющими щель. Эти гравитационные поля создают Силы Притяжения в движущихся фотонах. Так как материал плотный, то Поля Притяжения образующих его элементов значительные. В фотонах возникает равнодействующая Сила, ее вектор указывает направление, в котором продолжается инерционное движение фотонов, прошедших сквозь щель. Так и происходит рассеивание фотонов – преломление траектории их движения. Именно поэтому – из-за рассеивания – дифракционная картина значительно превосходит размеры щели или отверстия. И чем ближе к краям, тем больше Сила Притяжения со стороны элементов материала и тем на больший угол преломляется траектория фотонов. И чем ближе края друг к другу (чем уже отверстие), тем больше Сила Притяжения химических элементов плотного материала, тем сильнее притягиваются фотоны, движущиеся через отверстие. Тем большее их количество отклоняется к краям – т.е. рассеивается (преломляется). Так и происходит «расплывание» центрального и других максимумов. Уменьшение яркости максимумов происходит из-за поглощения части фотонов элементами материала. Яркость зависит от концентрированности светового луча, а тут она уменьшается. Электромагнитный луч тем более концентрирован, чем большее число частиц в его составе движутся одним и тем же путем.
Естественно, чем шире отверстие, тем дальше края друг от друга и тем меньше Сила Притяжения, вызываемая элементами материала, в котором проделана щель, и тем меньше фотонов поглощается элементами плотного материала, и тем слабее они отклоняются к краям отверстия. Поэтому и происходит уменьшение толщины дифракционных полос – из-за уменьшения степени рассеивания (преломления) света, т.е. уменьшается угол, на который отклоняются движущиеся фотоны. Увеличение яркости дифракционных полос происходит из-за уменьшения числа фотонов, поглощаемых элементами материала. А число полос возрастает, потому что из-за расширения отверстия в нем возрастает число элементов воздуха (азота), ведь каждая темная полоса на экране – это проекция химического элемента.
Очень важное условие для возникновения дифракционной картины – это малые размеры отверстия или щели. Только в этом случае поток фотонов значительно ослабляется за счет поглощения их элементами материала, в котором проделано это отверстие (или щель). Малые размеры отверстия означают, что расстояние от проходящего через отверстие потока фотонов до краев очень мало. А чем меньше расстояние, тем больше величина Поля Притяжения и Силы Притяжения. За счет большой Силы Притяжения поглощается большой процент фотонов из числа проходящих через отверстие. В противном случае, если отверстие слишком большое, края отверстия слишком далеки от центра и Сила Притяжения недостаточна, для того чтобы материал поглощал достаточное число фотонов, проходящих через центр отверстия. И, кроме того, мало преломляются фотоны, проходящие через центр. Именно поэтому «в центре получается резкое изображение источника света».
Возрастание Силы Притяжения элемента происходит при уменьшении расстояния до него. Это имеет место при прохождении видимых фотонов (и частиц другого качества) вблизи плотных тел, элементы которых имеют большую массу. Отклонение происходит для элементарных частиц, движущихся в газообразной среде вблизи самой границы раздела газа и плотного тела или газа и жидкости. Данное явление происходит, к примеру, в освещаемых тончайших щелях и мельчайших отверстиях в плотном материале. В это, возможно, трудно поверить, но отклонение траектории движения света и других частиц происходит при их прохождении вблизи химических элементов любых сред и тел – плотных, жидких, газообразных. В наибольшей мере это относится к плотным телам, в наименьшей – к газообразным.
Геометрическая оптика рассчитана на потоки элементарных частиц, движущихся не вдоль границы раздела газа и твердого тела или газа и жидкости, а на таком расстоянии от краев тел, которое обеспечивает достаточное экранирование гравитационных полей этих тел элементами среды, в которой движутся частицы. Ведь характерная особенность Силовых Полей элементов газовой среды – сочетание Полей Отталкивания и слабых Полей Притяжения. Тем самым, газовая прослойка уменьшает Силу Притяжения со стороны элементов твердых и жидких тел, действующую на пролетающие мимо частицы.
Чем больше масса элементов тела, мимо которого движутся элементарные частицы, тем больше величина возникающей в этих частицах Силы Притяжения. И тем ближе к притягивающим их химическим элементам отклоняются частицы в ходе своего движения.
Угол, на который происходит отклонение траектории частиц от первоначального направления, обратно пропорционален величине Силы Инерции движущейся частицы: α = 1/FИН, где α – это угол между вектором Силы Инерции частицы и вектором равнодействующей Силы, FИН – это Сила Инерции частицы. Именно эта формула объясняет, почему видимые фотоны разных цветов отклоняются (преломляются) в разной мере. В частности, красные преломляются в наименьшей степени, а фиолетовые – в наибольшей. Подробнее о механизме и причинах отклонения фотонов разных цветов мы поговорим в статье, посвященной механизму возникновения спектра. Здесь мы лишь поясним факт возникновения радужных полос на дифракционных картинах при освещении их белым (немонохроматическим) светом.
«При освещении щели белым светом центральный максимум имеет вид белой полоски… Боковые максимумы радужно окрашены». Они обращены «фиолетовым краем к центру дифракционной картины». Как уже говорилось, прорезанные щели заполнены элементами азота. К центру щели число элементов уменьшается, а к краям – растет. Т.е. к центру плотность воздуха уменьшается, а к краям возрастает. Это и неудивительно, ведь к краям растет Сила Притяжения, вызываемая элементами материала. Заметим, к слову, что именно этот факт лежит в основе объяснения «длины волны» для разных типов фотонов (и вообще любых видов элементарных частиц). Так вот, из-за малой плотности воздуха в центре расстояния между элементами велики, в результате проходит много фотонов всех цветов – так и получается на экране центральный максимум белого цвета. По мере приближения к краям щели Сила Притяжения растет – в итоге ослабляется поток фотонов. Они поглощаются материалом. Уменьшение числа фотонов в потоке делает заметным процесс их перераспределения, вызванный притяжением со стороны элементов воздуха щели. В итоге мы можем наблюдать, как каждый химический элемент воздуха в щели отклоняет своим притяжением движущиеся фотоны в разной мере. Те, что обладают на момент прохождения через щель большей Силой Инерции, отклоняются (преломляются) в наименьшей мере. Это фотоны, образующие в спектре полосу красного цвета. А те, что обладают наименьшей Силой Инерции, отклоняются в наименьшей мере – это фотоны синего и красного цвета, создающие в совокупности в спектре полосу фиолетового цвета. Именно поэтому каждый из боковых максимумов радужно окрашен и обращен фиолетовым краем в сторону центра дифракционной картины, а красным – в сторону края. Фиолетовый край каждого такого максимума обращен в сторону одного какого-то элемента воздуха, а красный расположен дальше всего от этого элемента.

Комментариев нет:

Отправить комментарий