የብርሃን ልዩነት፡ ክስተት፣ ምልከታ፣ ምሳሌዎች

2024 ደራሲ ደራሲ: Angel Austin | [email protected]. ለመጨረሻ ጊዜ የተሻሻለው: 2023-12-17 05:15

ስድስት አስፈላጊ ክስተቶች የብርሃን ሞገድ በመንገዱ ላይ እንቅፋት ካጋጠመው ባህሪይ ይገልፃሉ። እነዚህ ክስተቶች ነጸብራቅ፣ ነጸብራቅ፣ ፖላራይዜሽን፣ ስርጭት፣ ጣልቃ ገብነት እና የብርሃን ልዩነት ያካትታሉ። ይህ መጣጥፍ በመጨረሻዎቹ ላይ ያተኩራል።

ስለ ብርሃን ተፈጥሮ እና ስለ ቶማስ ያንግ ሙከራዎች ክርክር

በ17ኛው ክፍለ ዘመን አጋማሽ ላይ የብርሃን ጨረሮችን ምንነት በተመለከተ በእኩል ደረጃ ሁለት ንድፈ ሃሳቦች ነበሩ። የአንደኛው መስራች አይዛክ ኒውተን ሲሆን ብርሃን በፍጥነት የሚንቀሳቀሱ የቁስ አካላት ስብስብ ነው ብሎ ያምን ነበር። ሁለተኛው ንድፈ ሐሳብ የቀረበው በኔዘርላንድ ሳይንቲስት ክርስቲያን ሁይገንስ ነው። ድምፅ በአየር ውስጥ እንደሚጓዝ ሁሉ ብርሃን በመካከለኛው ክፍል ውስጥ የሚሰራጭ ልዩ የሞገድ ዓይነት እንደሆነ ያምን ነበር። እንደ ሁይገንስ የብርሃኑ አማካዩ ኤተር ነበር።

ማንም ሰው ኤተርን ስላላገኘ እና የኒውተን ስልጣን በዚያን ጊዜ ትልቅ ስለነበር የHuygens ቲዎሪ ተቀባይነት አላገኘም። ይሁን እንጂ በ 1801 እንግሊዛዊው ቶማስ ያንግ የሚከተለውን ሙከራ አድርጓል: እርስ በርስ ተቀራርበው በሚገኙ ሁለት ጠባብ ክፍተቶች ውስጥ ሞኖክሮማቲክ ብርሃን አለፈ. ማለፍመብራቱን ግድግዳው ላይ አስቀምጦታል።

የዚህ ልምድ ውጤት ምን ነበር? ኒውተን እንዳመነው ብርሃን ቅንጣቶች (ኮርፐስክለስ) ከነበሩ በግድግዳው ላይ ያለው ምስል ከእያንዳንዱ ስንጥቅ የሚመጡ ሁለት ብሩህ ባንዶችን ከማጽዳት ጋር ይዛመዳል። ሆኖም ጁንግ ፍጹም የተለየ ምስል ተመልክቷል። ከሁለቱም መሰንጠቂያዎች ውጭ እንኳን የብርሃን መስመሮች በግድግዳው ላይ ተከታታይ ጨለማ እና ቀላል ጭረቶች ታዩ። የተገለጸው የብርሃን ንድፍ ንድፍ ውክልና ከታች ባለው ስእል ላይ ይታያል።

ይህ ሥዕል አንድ ነገር አለ፡ ብርሃን ሞገድ ነው።

Diffraction ክስተት

በወጣት ሙከራዎች ውስጥ ያለው የብርሃን ንድፍ ከብርሃን ጣልቃገብነት እና ልዩነት ክስተቶች ጋር የተገናኘ ነው። ሁለቱ ክስተቶች እርስ በርሳቸው ለመለያየት አስቸጋሪ ናቸው፣ ምክንያቱም በበርካታ ሙከራዎች ጥምር ውጤታቸው ሊታይ ይችላል።

የብርሃን ልዩነት በመንገዱ ላይ መሰናክል ሲያጋጥመው የማዕበሉን ፊት መቀየርን ያካትታል፣ መጠኖቹም ከሞገድ ርዝመቱ ጋር የሚነጻጸሩ ወይም ያነሱ ናቸው። ከዚህ ፍቺ መረዳት እንደሚቻለው ዲፍራክሽን ለብርሃን ብቻ ሳይሆን ለየትኛውም ሞገዶች እንደ የድምፅ ሞገዶች ወይም የባህር ላይ ሞገዶች ጭምር ነው።

እንዲሁም ይህ ክስተት በተፈጥሮ ውስጥ የማይታይበት ምክንያት ግልጽ ነው (የብርሃን የሞገድ ርዝመት ብዙ መቶ ናኖሜትሮች ነው፣ ስለዚህ ማንኛውም ማክሮስኮፒክ የሆኑ ነገሮች ጥርት ያሉ ጥላዎችን ይፈጥራሉ)።

Huygens-Fresnel መርህ

የብርሃን ልዩነት ክስተት በተሰየመው መርህ ተብራርቷል። ዋናው ነገር የሚከተለው ነው-የሚያሰራጭ ሬክታላይን ጠፍጣፋየማዕበል ፊት ወደ ሁለተኛ ደረጃ ሞገዶች መነሳሳት ይመራል. እነዚህ ሞገዶች ክብ ናቸው፣ ነገር ግን መካከለኛው ተመሳሳይ ከሆነ፣ እርስ በእርሳቸው ተደራርበው ወደ መጀመሪያው ጠፍጣፋ ግንባር ይመራሉ::

ማንኛውም መሰናክል እንደመጣ (ለምሳሌ በጁንግ ሙከራ ውስጥ ሁለት ክፍተቶች) የሁለተኛ ማዕበል ምንጭ ይሆናል። የእነዚህ ምንጮች ቁጥር የተገደበ እና በእንቅፋቱ ጂኦሜትሪክ ባህሪያት የሚወሰን ስለሆነ (በሁለት ቀጭን ክፍተቶች ውስጥ, ሁለት ሁለተኛ ምንጮች ብቻ ናቸው) የሚፈጠረው ሞገድ ከአሁን በኋላ የመጀመሪያውን ጠፍጣፋ የፊት ገጽታ አያመጣም. የኋለኛው ጂኦሜትሪውን ይለውጣል (ለምሳሌ ፣ ሉላዊ ቅርፅ ይኖረዋል) ፣ በተጨማሪም ፣ ከፍተኛ እና የብርሃን ጥንካሬ በተለያዩ ክፍሎቹ ውስጥ ይታያሉ።

የHuygens-Fresnel መርህ የሚያሳየው የመጠላለፍ እና የብርሃን ልዩነት ክስተቶች የማይነጣጠሉ መሆናቸውን ነው።

ልዩነትን ለመጠበቅ ምን ሁኔታዎች ያስፈልጋሉ?

ከመካከላቸው አንዱ ቀደም ሲል የተጠቀሰው: ጥቃቅን (የሞገድ ርዝመት ቅደም ተከተል) መሰናክሎች መኖራቸው ነው. እንቅፋቱ በአንፃራዊነት ትልቅ የጂኦሜትሪክ ልኬቶች ከሆነ፣ የዲፍራክሽን ንድፉ የሚስተዋለው ከጫፎቹ አጠገብ ብቻ ነው።

ሁለተኛው ለብርሃን መከፋፈል አስፈላጊው ሁኔታ ከተለያዩ ምንጮች የሚመጡ ሞገዶች እርስ በርስ መተሳሰር ነው። ይህ ማለት የማያቋርጥ የክፍል ልዩነት ሊኖራቸው ይገባል. በዚህ አጋጣሚ ብቻ፣ በመጠላለፍ ምክንያት፣ የተረጋጋ ምስልን መመልከት ይቻላል።

የምንጮች ቁርኝት ቀላል በሆነ መንገድ የተገኘ ነው፣ከአንድ ምንጭ የሚመጣውን ማንኛውንም የብርሃን ግንባር በአንድ ወይም በብዙ መሰናክሎች ማለፍ በቂ ነው። ከእነዚህ ውስጥ ሁለተኛ ምንጮችመሰናክሎች እንደ ወጥ ሆነው ይሠራሉ።

የብርሃን ጣልቃገብነትን እና መከፋፈልን ለመከታተል ዋናው ምንጭ ሞኖክሮማቲክ መሆን በፍፁም አስፈላጊ እንዳልሆነ ልብ ይበሉ። ይህ የዲፍራክሽን ግሪትን ሲያስቡ ከዚህ በታች ይብራራል።

Fresnel እና Fraunhofer diffraction

በቀላል አነጋገር፣ Fresnel diffraction ማለት ከተሰነጠቀው ቅርበት ባለው ስክሪን ላይ ያለውን የስርዓተ-ጥለት ምርመራ ነው። Fraunhofer diffraction በበኩሉ ከተሰነጠቀው ስፋት በጣም የሚበልጥ ርቀት ላይ የሚገኘውን ጥለት ይመለከታል፣ በተጨማሪም፣ በስንጣው ላይ ያለው የሞገድ ፊት ለፊት ክስተት ጠፍጣፋ እንደሆነ ያስባል።

እነዚህ ሁለት የዲፍራክሽን ዓይነቶች የሚለያዩት በውስጣቸው ያሉት ዘይቤዎች ስለሚለያዩ ነው። ይህ ከግምት ውስጥ ባለው ክስተት ውስብስብነት ምክንያት ነው. እውነታው ግን የዲፍራክሽን ችግር ትክክለኛ መፍትሄ ለማግኘት የማክስዌል የኤሌክትሮማግኔቲክ ሞገዶችን ንድፈ ሃሳብ መጠቀም አስፈላጊ ነው. ቀደም ሲል የተጠቀሰው የHuygens-Fresnel መርህ በተግባር ላይ ሊውሉ የሚችሉ ውጤቶችን ለማግኘት ጥሩ ግምታዊ ነው።

ከታች ያለው ምስል የሚያሳየው ስክሪኑ ከተሰነጠቀው ሲነሳ በዲፍራክሽን ጥለት ውስጥ ያለው ምስል እንዴት እንደሚቀየር ያሳያል።

በሥዕሉ ላይ፣ ቀዩ ቀስት የስክሪኑ አቀራረቡን ወደ ስንጥቅ አቅጣጫ ያሳያል፣ ያም ማለት የላይኛው አሃዝ ከFraunhofer diffraction እና የታችኛው ከ Fresnel ጋር ይዛመዳል። እንደምታየው፣ ስክሪኑ ወደ ስንጥቁ ሲቃረብ ስዕሉ ይበልጥ የተወሳሰበ ይሆናል።

በተጨማሪ በጽሁፉ ውስጥ የFraunhofer ልዩነትን ብቻ እንመለከታለን።

Diffraction በቀጭን ስንጥቅ (ቀመሮች)

ከላይ እንደተገለጸው፣የዲፍራክሽን ንድፍ በእንቅፋቱ ጂኦሜትሪ ላይ የተመሰረተ ነው. ባለ ቀጭን የወርድ ስንጥቅ ሀ ፣ በሞገድ ርዝመት ሞኖክሮማቲክ ብርሃን λ ፣ የሚኒማ (ጥላ) አቀማመጥ ከእኩልነት ጋር ለሚዛመዱ ማዕዘኖች ሊታዩ ይችላሉ

ኃጢአት(θ)=m × λ/a፣ የት m=±1፣ 2፣ 3…

እዚህ ያለው አንግል ቴታ የሚለካው ከስሎው መሃል እና ከስክሪኑ ቀጥታ ግንኙነት ነው። ለዚህ ፎርሙላ ምስጋና ይግባውና በስክሪኑ ላይ ያሉት ሞገዶች ሙሉ በሙሉ እርጥበት በየትኛው ማዕዘኖች እንደሚፈጠሩ ማስላት ይቻላል. ከዚህም በላይ የዲፍራክሽን ቅደም ተከተል ማስላት ይቻላል, ማለትም, ቁጥር m.

ስለ Fraunhofer diffraction እየተነጋገርን ስለሆነ፣ ከዚያ L>>a፣ ኤል ከተሰነጠቀው የስክሪኑ ርቀት ነው። የመጨረሻው አለመመጣጠን የማዕዘንን ሳይን በ y መጋጠሚያ ወደ ርቀት ኤል ቀላል ሬሾ ለመተካት ያስችላል፣ ይህም ወደሚከተለው ቀመር ይመራል፡

y_m=m×λ×L/a.

እዚህ y_m በማያ ገጹ ላይ ዝቅተኛው የትእዛዝ መ አቀማመጥ መጋጠሚያ ነው።

Slit diffraction (ትንተና)

በቀደመው አንቀፅ ላይ የተሰጡት ቀመሮች በዲፍራክሽን ጥለት ላይ የተደረጉ ለውጦችን በሞገድ ርዝመት λ ወይም በተሰነጠቀው ስፋት ሀ. ስለዚህ፣ የአንድ እሴት መጨመር የአንደኛ ደረጃ ዝቅተኛው y₁ ቅንጅት ይቀንሳል፣ ያም ማለት ብርሃኑ በጠባብ ማዕከላዊ ከፍተኛ ላይ ይሰበሰባል። የተሰነጠቀው ስፋት መቀነስ ወደ ማዕከላዊ ከፍተኛው መዘርጋት ይመራዋል, ማለትም, ብዥታ ይሆናል. ይህ ሁኔታ ከታች ባለው ስእል ላይ ይታያል።

የሞገድ ርዝመቱን መቀየር ተቃራኒውን ውጤት አለው። ትልቅ የ λወደ ስዕሉ ብዥታ ይመራሉ. ይህ ማለት ረጅም ሞገዶች ከአጭር ጊዜ በተሻለ ሁኔታ ይለያያሉ. የኋለኛው የኦፕቲካል መሳሪያዎችን መፍትሄ ለመወሰን መሰረታዊ ጠቀሜታ አለው።

ልዩነት እና የጨረር መሳሪያዎች ጥራት

የብርሃን ልዩነት ምልከታ እንደ ቴሌስኮፕ፣ ማይክሮስኮፕ እና ሌላው ቀርቶ የሰው አይን ያሉ የእይታ መሣሪያዎችን የመፍትሄ ወሰን ነው። ወደ እነዚህ መሳሪያዎች ስንመጣ, ልዩነትን የሚመለከቱት በተሰነጠቀ ሳይሆን በክብ ጉድጓድ ነው. ቢሆንም፣ ሁሉም ቀደም ሲል የተደረጉ መደምደሚያዎች እውነት እንደሆኑ ይቆያሉ።

ለምሳሌ ከፕላኔታችን በጣም ርቀው የሚገኙትን ሁለት ብሩህ ኮከቦችን እንመለከታለን። ብርሃን ወደ አይናችን የሚገባበት ቀዳዳ ተማሪ ይባላል። በሬቲና ላይ ከሚገኙት ሁለት ኮከቦች, ሁለት የዲፍራክሽን ንድፎች ተፈጥረዋል, እያንዳንዳቸው ማዕከላዊ ከፍተኛ አላቸው. የከዋክብት ብርሃን በተወሰነ ወሳኝ ማዕዘን ላይ ወደ ተማሪው ውስጥ ቢወድቅ ሁለቱም ከፍተኛው ወደ አንድ ይቀላቀላሉ. በዚህ አጋጣሚ አንድ ሰው ነጠላ ኮከብ ያያል።

የመፍትሄ መስፈርቱ የተቀመጠው በLord J. W. Rayleigh ነው፣ ስለዚህ በአሁኑ ጊዜ ስሙን ይይዛል። ተዛማጁ የሂሳብ ቀመር ይህን ይመስላል፡

ኃጢአት(θ_c)=1፣ 22×λ/D.

እዚህ ዲ የአንድ ክብ ቀዳዳ ዲያሜትር (ሌንስ፣ ተማሪ፣ ወዘተ) ነው።

በመሆኑም የሌንስ ዲያሜትሩን በመጨመር ወይም ርዝመቱን በመቀነስ ጥራቱን መጨመር (θ_c መቀነስ) ይቻላልሞገዶች. የመጀመሪያው ተለዋጭ በቴሌስኮፖች ውስጥ θ_c ከሰው ዓይን ጋር ሲወዳደር በብዙ ጊዜ መቀነስ ያስችላል። ሁለተኛው አማራጭ ማለትም λን በመቀነስ በኤሌክትሮን ማይክሮስኮፖች ውስጥ አፕሊኬሽኑን ያገኘ ሲሆን እነዚህም ከተመሳሳይ የብርሃን መሳሪያዎች 100,000 እጥፍ የተሻለ ጥራት አላቸው።