Warto przeczytać

Kluczem do wyjaśnienia zjawiska dyfrakcji, czyli ugięcia fali na przeszkodzie, jest zrozumienie, na czym polega rozchodzenie się fali w ośrodku.

Falę zapoczątkowuje wprawienie w drgania cząsteczek ośrodka. Może to być przedmiot uderzający w powierzchnię wody lub uderzenie w strunę instrumentu muzycznego. Drgające cząsteczki ośrodka przekazują energię drgań sąsiednim cząsteczkom, te kolejnym i ruch drgający przenosi się coraz dalej.

Rozchodzenie się fali polega na przekazywaniu energii drgań między sąsiednimi cząsteczkami ośrodka.

Kiedy obserwujemy falę na powierzchni wody (Rys. 1.), widzimy grzbiety i doliny fali. Cząsteczki wody w grzbietach są maksymalnie wychylone do góry, w dolinach - maksymalnie do dołu. Odległość między kolejnymi grzbietami to długość fali. Punkty o tej samej fazie drgań (na przykład, będące w maksymalnym wychyleniu) nazywamy powierzchniami falowymi.

RNzLWCjC5EvfU

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia kroplę spadającą na taflę wody. Na powierzchni wody rozchodzą się fale.

Fale rozchodzące się na powierzchni wody lub w napiętym sznurze możemy obserwować bezpośrednio. O innych falach wnioskujemy obserwując ich skutki. Należą do nich fale akustyczne, czyli dźwięk, a także światło, które jest falą elektromagnetyczną.

Fale rozchodzące się w ośrodku po liniach prostych, po natrafieniu na przeszkodę, zmieniają kierunek. Zmienia się też kształt powierzchni falowej. Zjawiska związane z rozchodzeniem się fal badał holenderski uczony w XVII wieku Christian Huygens (wymawiaj: Hojhens). Sformułował on zasadę, która wyjaśnia wiele zjawisk falowych, nazwaną od jego nazwiska zasadą Huygensa.

Każdy punkt ośrodka, do którego dojdzie fala, staje się źródłem elementarnej fali kulistej.

Gdy wiemy, na czym polega rozchodzenie się fali w ośrodku, nietrudno zrozumieć zasadę Huygensa. Gdy do cząsteczki ośrodka dochodzi fala, zaczyna ona drgać i swoje drgania przekazuje sąsiednim cząsteczkom otaczającym ją ze wszystkich stron.

Gdy do jednego punktu dochodzi kilka fal, ruchy drgające cząsteczek ośrodka sumują się. Jest to zasada superpozycji fal, mówiąca o tym, że fala wypadkowa, będąca wynikiem nałożenia sięinterferencjanałożenia się kilku ruchów falowych, jest sumą fal składowych. Rys. 2. pokazuje rozchodzenie się fali płaskiej, czyli takiej, której powierzchnie falowepowierzchnia falowa (czoło fali)powierzchnie falowe są płaszczyznami. Gdy fala dociera do punktów PIndeks dolny 1₁, PIndeks dolny 2₂, PIndeks dolny 3₃, PIndeks dolny 4₄, PIndeks dolny 5₅, stają się one źródłem elementarnych fal kulistych, które nakładając się na siebie, znów tworzą powierzchnię falową w postaci płaszczyzny.

R1LCWc1OBWKJs

Rys. 2. Rysunek ilustruje, w jaki sposób zasada Huygensa tłumaczy rozchodzenie się fali płaskiej. Na rysunku przedstawiono sześć poziomych, niebieskich, równoległych linii. Symbolizują one front falowy. Patrząc od góry, rozpatrujemy te linie, jako falę płaską. Na czwartej od góry linii zaznaczono pięć niebieskich punktów, w równych odstępach, opisanych wielkimi literami P z indeksami dolnymi, kolejno jeden, dwa i tak dalej. Na każdym z tych punktów doszło do dyfrakcji i poniżej zaznaczono niebieskie półokręgi pod każdym z punktów. Każdy punkt stał się źródłem nowej fali kulistej. W wyniku, nałożenia się tych fal dochodzi do superpozycji i w rezultacie, poniżej, znów powstaje fala płaska. Z prawej strony zaznaczono czerwoną strzałkę skierowaną do dołu. Czerwony wektor wskazuje kierunek propagacji fali.

Co dzieje się, gdy fala płaska dotrze do krawędzi przeszkody? Pokazuje to Rys. 3. Punkt przy krawędzi przeszkody stał się źródłem elementarnej fali kulistej i za krawędzią powierzchnie falowe zmieniają swój kształt na kulisty.

RArbDLzPum6if

Rys. 3. Rysunek prezentuje, co się dzieje gdy fala płaska dociera do przeszkody. Z prawej strony przedstawiono pięć pionowych, szarych, równoległych i równo od siebie oddalonych linii. Podpisano je jako powierzchnie falowe. Prostopadle do nich, w lewą stronę, skierowane jest kilka czerwonych strzałek. Wskazują kierunek rozchodzenia się fali. W lewym górnym rogu przedstawiono czarny prostokąt. Gdy fala spotyka tę przeszkodę, poniżej niej rozchodzi się w lewą stronę, jak wcześniej. Natomiast w pobliżu czarnego prostokąta kierunki rozchodzenia się fali zmieniają się. Dochodzi do ugięcia i fala rozchodzi się w formie łuków. Fala ugina się na krawędzi przeszkody.

W chwili, gdy fala ta dojdzie do przegrody - szczelina staje się źródłem fali kołowej, rozchodzącej się we wszystkich kierunkach po drugiej stronie przegrody (Rys. 4.).

Rw2wNudplVALQ

Rys. 4. Rysunek prezentuje, jak dochodzi do dyfrakcji fali na szczelinie. Po prawej widać pięć pionowych, szarych, równoległych i równo od siebie odsuniętych linii. Prostopadle do nich, zaznaczono kierunek rozchodzenia się fali, jako czerwone strzałki skierowane w lewo. Następnie, po lewej, widać dwa pionowe, czarne prostokąty, z przerwą pomiędzy nimi, oznaczającą szczelinę. Za szczeliną szare linie nie są już prostopadłe, tylko są współśrodkowymi łukami. Kierunek rozchodzenia się fali oznaczono czerwonymi strzałkami, tożsamymi z promieniami półokręgów.

Zjawisko zmiany kierunku ruchu na przeszkodzie jest typowe tylko dla fal. Podczas zabawy śnieżkami wystarczy schować się za drzewo, aby żaden pocisk nas nie trafił. Rzucone śnieżki przelecą obok drzewa bez zmiany kierunku albo zatrzymają się na drzewie. Ale dźwięk, który jest falą, dociera za drzewo bez przeszkód, właśnie dlatego, że fala ulega dyfrakcji na przeszkodzie.

Dyfrakcję obserwujemy, gdy fala natrafia na szczelinę o rozmiarach porównywalnych z długością fali. Na przykład, fale dźwiękowe mają długość od kilku milimetrów do kilkunastu metrów i ulegają ugięciu na ścianach, meblach, czy na otwartych drzwiach. Wiemy, że osoby znajdujące się w sąsiednich pokojach, mogą przy otwartych drzwiach swobodnie rozmawiać, choć dzieli je ściana. Natomiast fala świetlna ma długość mniejszą od $\frac{1}{1000}$ milimetra. Aby zaobserwować dyfrakcję światła, trzeba oświetlić szczelinę o szerokości ułamka milimetra (Rys. 5.). Należy podkreślić, że ugięcie fali zachodzi dla każdej wielkości przeszkody lub szczeliny, ale kąt ugięcia jest tym większy, im mniejszy jest rozmiar przeszkody w porównaniu z długością fali. Dlatego w życiu codziennym nie obserwujemy dyfrakcji światła na otaczających nas przedmiotach – kąt ugięcia w tym przypadku jest bardzo mały, niezauważalny.

R1FRapA2XIggA

Rys. 5. Ilustracja prezentuje obraz powstały w wyniku dyfrakcji światła na szczelinie. Na ciemnym, poziomym prostokącie, przedstawiono poziomy obraz. Na samym środku znajduje się czerwona plamka, przypominająca spłaszczoną elipsę. Na prawo i lewo od plamki, znajdują się mniejsze plamki, których intensywność maleje wraz z odległością od środka obrazu. Wszystkie plamki znajdują się w jednej linii.

Słowniczek