Wikipedia

Szczelina dyfrakcyjna

Szczelina dyfrakcyjna – szczelina, która powoduje dyfrakcję[1] (ugięcie fal).

Optyczna szczelina

Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali, można uważać za źródło nowej fali kulistej (nazywanej falą cząstkową), a w ośrodku powstaje wypadkowa powierzchnia falowa, styczna do powierzchni wszystkich fal cząstkowych[2], które ze sobą interferują[3]. Wynika z tego, że ugięcie fal zachodzi na wszystkich krawędziach obiektów znajdujących się w ośrodku, jednak aby zjawisko było łatwe do zaobserwowania, szerokość szczeliny musi być porównywalna z długością fali[4].

W przypadku pojedynczej szczeliny o zaniedbywalnie dużej długości o kształcie prostokątnym zależność intensywności promieniowania świetlnego w funkcji kąta odchylenia od płaszczyzny prostopadłej do dłuższego z wymiarów szczeliny (podanego w radianach), długości fali szerokości szczeliny oraz intensywności promienia w kierunku prostopadłym jest opisana równaniem (1)[5][6]

(1)

Ugięcie fal następujące na jednej szczelinie jest nazywane dyfrakcją Fraunhofera wtedy, gdy odległość od szczeliny do ekranu, na którym obserwujemy efekt, jest bardzo duża w porównaniu z szerokością szczeliny. W przypadku, w którym odległość pomiędzy szczeliną a ekranem nie jest wystarczająco duża, aby zapewnić w przybliżeniu równoległy przebieg promieni fali, mamy do czynienia z dyfrakcją Frensela[4].

Interferencję fal uginanych na dwóch szczelinach dyfrakcyjnych obrazuje doświadczenie Younga[7]. Rolę szczeliny dyfrakcyjnej może pełnić obszar pomiędzy rysami lub prążkami holograficznymi utworzonymi na przezroczystym materiale lub lustrze metalicznym. Stosowany w optyce przyrząd, posiadający wiele równoległych rys położonych w jednakowej odległości od siebie, nazywany jest siatką dyfrakcyjną[8].

Dla fal o bardzo małej długości fali rolę szczelin dyfrakcyjnych mogą pełnić przestrzenie pomiędzy atomami; w 1927 roku George Thomson wykazał dzięki temu falowe własności elektronów, przepuszczając promienie katodowe przez cienką folię metalową[9], natomiast w latach 40. XX wieku fakt ten został wykorzystany przez B.K. Vainshteina i jego zespół do pionierskich prac nad zastosowaniem niskoenergetycznych elektronów do badania struktury powierzchni materiałów metodą dyfrakcji elektronów[10][11]. Odległości w sieciach krystalicznych pozwalają na badanie tych struktur metodą rentgenografii strukturalnej[12].

W 1814 roku Joseph von Fraunhofer skonstruował spektrometr optyczny złożony z pryzmatu, szczeliny oraz teleskopu[13]. Fale elektromagnetyczne po przejściu przez szczelinę w warunkach dyfrakcji Fraunhofera (tj. przy dostatecznie dużej odległości pomiędzy aperturą a ekranem) tworzą profil intensywności użyteczny w spektroskopii[14], natomiast profil powstający w warunkach dyfrakcji Frensela (niewielka odległość apretury od ekranu) jest wykorzystywany w litografii[15]. Obecnie w znacznej części metod spektroskopowych najczęściej stosowane są siatki dyfrakcyjne, jednak w przypadku spektroskopii rentgenowskiej zastosowanie pojedynczych szczelin bywa wystarczające, a ma zalety obejmujące niższy koszt, zwiększoną wytrzymałość mechaniczną i zmniejszenie liczby komponentów wymagających kalibracji spektralnej[16]. Szczeliny dyfrakcyjne zastosowano konstrukcji optycznego czujnika tensometrycznego Tuckermana[17]; rozwiązania o podobnej konstrukcji stosowane są m.in. podczas pomiaru naprężeń w gorących materiałach[18].

Przypisy

edytuj


  1. ↑ Diffraction slit. AK Gems. [dostęp 2017-06-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2017-06-08)].
  2. ↑ Frank S. Crawford: Fale. Warszawa: PWN, s. 460–468.
  3. ↑ Praca zbiorowa: Encyklopedia fizyki. T. I. Warszawa: PWN, 1972, s. 781.
  4. ↑ a b Fizyka II – Lekcja 10 – Segment 3. Dyfrakcja. Politechnika Warszawska. [dostęp 2017-06-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2017-06-08)].
  5. ↑ Interference and Diffraction, [w:] Sen-ben Liao, Peter Dourmashkin, John W. Belcher, Visualizations Index: Course Notes, Massachusetts Institute of Technology, 2004, s. 14–18 [dostęp 2018-01-04] [zarchiwizowane z adresu 2018-01-04].
  6. ↑ PC2232: Physics for Electrical Engineers (4MC). Single Slit Diffraction [online], Department of Physics. National University of Singapore, 2012, s. 3 [dostęp 2018-01-04].
  7. ↑ Andrew Robinson: The Last Man Who Knew Everything. Nowy Jork: Pi Press, 2006, s. 123–124. ISBN 0-13-134304-1.
  8. ↑ siatka dyfrakcyjna, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2017-06-08].
  9. ↑ George P. Thomson. Diffraction of Cathode Rays by a Thin Film. „Nature”. 119 (3007), s. 890, 1927. DOI: 10.1038/119890a0. 
  10. ↑ Leonid A. Bendersky, Frank W. Gayle. Electron Diffraction Using Transmission Electron Microscopy. „Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology”. 106, s. 997, 2001. 
  11. ↑ B.K. Vainshtein, E. Feigl, J.A. Spink: Structure Analysis by Electron Diffraction. Londyn: Pergamon Press Ltd., 1964. ISBN 978-0-08-010241-2.
  12. ↑ W. Clegg: Crystal Structure Determination (Oxford Chemistry Primer). Oxford: Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-855901-1.
  13. ↑ John C.D. Brand, Lines of light. The sources of dispersive spectroscopy, 1800-1930, Australia: Gordon and Breach, 1995, s. 38, ISBN 2-88449-162-7, OCLC 34308951.
  14. ↑ Max Born i inni, Principles of optics. Electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light, wyd. 7th expanded ed, Cambridge: Cambridge University Press, 1999, s. 446–475, ISBN 0-521-64222-1, OCLC 40200160. wg: Edgar A. Rueda, Francisco F. Medina, John F. Barrera, Diffraction criterion for a slit under spherical illumination, „Optics Communications”, 274 (1), s. 32–36, DOI: 10.1016/j.optcom.2007.02.009 [dostęp 2017-12-28].
  15. ↑ Y. Vladimirsky, Vacuum ultraviolet spectroscopy, rozdz. 10, [w:] James A.R. Samson, D.L. Ederer (red.), Experimental Methods in the Physical Sciences, t. 32, San Diego: Academic Press, 1998, s. 205, ISBN 978-0-12-475979-4, OCLC 39911714. wg: Edgar A. Rueda, Francisco F. Medina, John F. Barrera, Diffraction criterion for a slit under spherical illumination, „Optics Communications”, 274 (1), s. 32–36, DOI: 10.1016/j.optcom.2007.02.009 [dostęp 2017-12-28].
  16. ↑ K.L. Baker i inni, X-ray spectral power measurements utilizing the diffraction pattern of a slit, „Review of Scientific Instruments”, 70 (3), 1999, s. 1624–1626, DOI: 10.1063/1.1149642, ISSN 0034-6748 [dostęp 2017-12-28].
  17. ↑ Chern-Sheng Lin i inni, A novel experimental device with modified laser shadow spot and optical strain gauge set-up, „Measurement”, 37 (1), s. 9–19, DOI: 10.1016/j.measurement.2004.07.005 [dostęp 2017-12-28].
  18. ↑ H. Pih, K.C. Liu, Laser diffraction methods for high-temperature strain measurements, „Experimental Mechanics”, 31 (1), 1991, s. 60–64, DOI: 10.1007/bf02325725, ISSN 0014-4851 [dostęp 2017-12-28] (ang.).
Źródło: „https://pl.wiki.x.io/w/index.php?title=Szczelina_dyfrakcyjna&oldid=73069969”