Dyfrakcja

Zapamiętaj

Dyfrakcja polega na ugięciu fali na krawędzi przeszkody lub podczas jej przechodzenia przez otwór.

Zjawisko jest szczególnie wyraźne, gdy rozmiary przeszkody lub otworu są porównywalne z długością fali.

Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt frontu falowego można traktować jako źródło wtórnej fali elementarnej.

Dyfrakcja jest zjawiskiem ugięcia fali podczas jej przechodzenia przez otwór lub w pobliżu krawędzi przeszkody. W wyniku dyfrakcji fala może docierać także do obszaru, do którego nie dotarłaby, gdyby rozchodziła się wyłącznie po liniach prostych.

Dyfrakcja jest szczególnie dobrze widoczna, gdy fala napotyka przeszkodę lub otwór o rozmiarach porównywalnych z długością fali. Fala ugina się wtedy na krawędziach i rozchodzi się również w obszarze geometrycznego cienia. Gdy rozmiary przeszkody lub otworu są znacznie większe od długości fali, dyfrakcja jest zwykle mniej widoczna.

Poniższy rysunek przedstawia dyfrakcję fal wodnych przechodzących przez otwór w przeszkodzie.

Do opisu zjawiska dyfrakcji fal wykorzystujemy zasadę Huygensa.

Zasada Huygensa

Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt frontu falowego można traktować jako źródło wtórnej fali elementarnej. Położenie frontu fali po krótkim czasie jest wyznaczone przez powierzchnię styczną do wszystkich powstałych fal elementarnych, nazywaną ich obwiednią.

W ośrodku trójwymiarowym fale elementarne mają kształt powierzchni kulistych, natomiast w uproszczonym opisie fal powierzchniowych przedstawia się je jako okręgi.

Zasada Huygensa pozwala wyjaśnić między innymi rozchodzenie się fali za otworem oraz jej ugięcie na krawędzi przeszkody.

Zasadę Huygensa ilustruje poniższy rysunek.

Przykłady

Dzięki dyfrakcji możemy słyszeć dźwięki dochodzące zza budynku lub zza narożnika. Fale dźwiękowe uginają się na krawędziach przeszkód i mogą docierać również do miejsc, które nie znajdują się bezpośrednio na drodze rozchodzenia się fali.
Dyfrakcja jest silniejsza dla dźwięków o większej długości fali, dlatego niskie tony łatwiej docierają zza dużych przeszkód niż tony wysokie.
Dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego wykorzystuje się w krystalografii i materiałoznawstwie do badania struktury krystalicznej materiałów, identyfikowania ich składników oraz wyznaczania odległości między płaszczyznami sieci krystalicznej.

Pytania

Czy światło ulega dyfrakcji?

Tak. Światło ulega dyfrakcji podczas przechodzenia przez bardzo wąskie otwory lub w pobliżu krawędzi niewielkich przeszkód. Zjawisko jest szczególnie wyraźne, gdy rozmiary otworu lub przeszkody są porównywalne z długością fali światła.

Jak czytamy nazwisko Huygens?

Nazwisko to należy czytać Hojhens.

Czy fale materii ulegają dyfrakcji?

Tak. Dyfrakcję obserwuje się między innymi dla wiązek elektronów, neutronów i innych cząstek. Zjawisko to potwierdza falowe właściwości materii.

Dodatkowe materiały edukacyjne

Symulacja zjawiska dyfrakcji na szczelinie oraz kilku szczelinach w 2D oraz 3D. Ugięcie fali matematycznie wynika tu wprost z równania falowego. Fala płaska pada z lewej strony na przegrodę. Na ekranie obserwujemy obraz dyfrakcyjny (dla jeden szczeliny) i dyfrakcyjny oraz interferencyjny dla kilku szczelin.

Symulacja