Μπορεί το φως να λυγίσει γύρω από τις γωνίες; Σημαντικές Συχνές Ερωτήσεις

Μπορεί το φως να λυγίσει στις γωνίες;

Η απάντηση είναι "Ναι", το φως μπορεί να λυγίσει στις γωνίες.

Όταν το φως περνάει γύρω από τις άκρες ενός αντικειμένου τείνει να λυγίσει τη διαδρομή του γύρω από τις γωνίες. Αυτή η ιδιότητα του φωτός είναι γνωστή ως περίθλαση. Το φαινόμενο της περίθλασης εξαρτάται από τη διάδοση του φωτός. Για τη μελέτη αυτού του φαινομένου, το φως αντιμετωπίζεται ως κύμα.  

Περιεχόμενα:

Τι είναι η περίθλαση του φωτός;

Η διάθλαση του φωτός αναφέρεται στα φαινόμενα κάμψης των κυμάτων φωτός στις γωνίες ενός αντικειμένου που έχει εμπόδιο και έχει μέγεθος συγκρίσιμο με το μήκος κύματος του φωτός. Το φαινόμενο της περίθλασης εξαρτάται από τη διάδοση του φωτός. Για τη μελέτη αυτού του φαινομένου, το φως αντιμετωπίζεται ως κύμα.

Ο βαθμός ή ο βαθμός στον οποίο κάμπτονται οι ακτίνες φωτός εξαρτάται από το μέγεθος του αντικειμένου που εμποδίζει και το μήκος κύματος του φωτός. Όταν το μέγεθος του αντικειμένου είναι πολύ μεγαλύτερο σε σύγκριση με το μήκος κύματος του φωτός, τότε η έκταση της κάμψης είναι αμελητέα και δεν μπορεί να γίνει αντιληπτή σωστά. Ωστόσο, όταν το μήκος κύματος του φωτός είναι συγκρίσιμο με το μέγεθος του αντικειμένου που εμποδίζει (όπως ένα σωματίδιο σκόνης), τότε η έκταση της περίθλασης είναι υψηλή, δηλαδή τα κύματα φωτός κάμπτονται σε μεγαλύτερες γωνίες. Σε τέτοιες περιπτώσεις, μπορούμε να παρατηρήσουμε τη διάθλαση του φωτός με γυμνό μάτι.

Lκαι μάθετε περισσότερα για το πώς το φως κάμπτεται στις γωνίες:

Πώς μπορεί το φως να κάμπτεται στις γωνίες;

Σύμφωνα με την κλασική φυσική, το φαινόμενο της περίθλασης βιώνεται από ένα κύμα φωτός λόγω του τρόπου με τον οποίο διαδίδεται. Το φαινόμενο περιγράφηκε από τους Christiaan Huygens και Augustin-Jean Fresnel στην αρχή Huygens-Fresnel και την αρχή της υπέρθεσης κυμάτων. Η διάδοση των κυμάτων φωτός μπορεί να ερμηνευθεί οπτικά λαμβάνοντας κάθε μεμονωμένο σωματίδιο στο μέσο διάδοσης ως σημειακή πηγή που δημιουργεί τη δευτερεύουσα πρόσοψη κύματος ενός σφαιρικού κύματος.

Η μετατόπιση των κυμάτων από κάθε σημειακή πηγή αθροίζεται για να σχηματίσει ένα δευτερεύον κύμα. Τα πλάτη και οι σχετικές φάσεις κάθε κύματος παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό του επόμενου σφαιρικού κύματος που σχηματίζεται. Το πλάτος του κύματος που προκύπτει μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή που βρίσκεται μεταξύ 0 και την προσθήκη των μεμονωμένων πλάτων των σημειακών πηγών.

Επομένως, ένα γενικό μοτίβο περίθλασης αποτελείται από μια σειρά από ελάχιστα και μέγιστα.

Σύμφωνα με τη σύγχρονη οπτική κβαντική οπτική, κάθε φωτόνιο που διέρχεται από μια λεπτή σχισμή δημιουργεί τη δική του κυματοσυνάρτηση. Αυτή η λειτουργία κύματος εξαρτάται από διάφορους φυσικούς παράγοντες όπως οι διαστάσεις της σχισμής, η απόσταση από την οθόνη και οι αρχικές συνθήκες παραγωγής φωτονίων. 

Το φαινόμενο της περίθλασης μπορεί να γίνει κατανοητό ποιοτικά λαμβάνοντας υπόψη τις σχετικές φάσεις των μετώπων δευτερογενών κυμάτων. Η υπέρθεση δύο μισών κύκλων κυμάτων οδηγεί σε εποικοδομητική παρέμβαση. Όταν δύο μισοί κύκλοι κυμάτων ακυρώνονται μεταξύ τους, οδηγεί σε καταστροφικές παρεμβολές.

Περίθλαση στην ατμόσφαιρα:

Το φως διασπάται στην ατμόσφαιρα κάμπτοντας γύρω από τα ατμοσφαιρικά σωματίδια. Συνήθως, το φως διαθλάται από τα μικροσκοπικά σταγονίδια νερού που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. Η κάμψη του φωτός μπορεί να δημιουργήσει ελαφριά περιθώρια φωτεινών, σκοτεινών ή χρωματιστών ζωνών. Η ασημένια επένδυση που μπορεί να παρατηρηθεί στις άκρες των σύννεφων ή των στεφανών του φεγγαριού ή του ήλιου είναι επίσης αποτέλεσμα της περίθλασης του φωτός. 

Κάμψη του φωτός όπως φαίνεται από τον καυτό ατμό. (μπορεί να λυγίσει το φως στις γωνίες) Πηγή εικόνας: Brocken InagloryΗλιακή δόξα στον ατμό από την θερμή πηγήCC BY-SA 3.0

Παραδείγματα περίθλασης που παρατηρούνται στην καθημερινή ζωή

Μερικά παραδείγματα περίθλασης ή κάμψης του φωτός μπορούν να παρατηρηθούν συχνά στην καθημερινή μας ζωή, όπως:

CD ή DVD: Σε δίσκο CD ή DVD μπορούμε συχνά να δούμε το σχηματισμό ενός μοτίβου που μοιάζει με ουράνιο τόξο. Αυτό το μοτίβο που μοιάζει με ουράνιο τόξο σχηματίζεται λόγω του φαινομένου της περίθλασης. Εδώ, το CD ή το DVD λειτουργεί ως πλέγμα περίθλασης. 

Ολόγραμμα: Ένα ολόγραμμα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να παράγει ένα σχέδιο περίθλασης. Τέτοια ολόγραμμα εμφανίζονται συχνά σε πιστωτικές κάρτες ή εξώφυλλα βιβλίων. 

Διάδοση ακτίνων λέιζερ: Η αλλαγή στο προφίλ δέσμης μιας δέσμης λέιζερ όπως καθορίζεται από το φαινόμενο της περίθλασης που συμβαίνει όταν η δέσμη λέιζερ διαδίδεται μέσω ενός μέσου. Η χαμηλότερη καταγεγραμμένη απόκλιση λόγω του κλάσματος παρέχεται από ένα επίπεδο χωρικά συνεκτικό μέτωπο κύματος με προφίλ δέσμης Gauss. Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η δέσμη εξόδου, τόσο πιο αργή είναι η απόκλιση.

Η έκταση της απόκλισης μιας δέσμης λέιζερ μπορεί να μειωθεί με την πρώτη απόκλιση της δέσμης με τη βοήθεια ενός κυρτού φακού και στη συνέχεια τη σύγκλιση ή τη σύγκλιση της δέσμης με τη βοήθεια ενός δεύτερου κυρτού φακού που έχει ένα εστιακό σημείο που συμπίπτει με το εστιακό σημείο του πρώτου κυρτός φακός. Με αυτόν τον τρόπο, η προκύπτουσα δέσμη θα έχει μεγαλύτερη διάμετρο σε σύγκριση με την αρχική δέσμη και ως εκ τούτου, η απόκλιση θα μειωθεί.

Περιορισμένη απεικόνιση περίθλασης: Η περίθλαση περιορίζει την ικανότητα ανάλυσης ενός συστήματος απεικόνισης. Λόγω της απόσπασης της προσοχής, η δέσμη φωτός δεν μπορεί να εστιάσει σε ένα μόνο σημείο. Αντ 'αυτού, πραγματοποιείται ο σχηματισμός ενός δίσκου σφάλματος που έχει ένα κεντρικό φωτεινό σημείο με ομόκεντρο κύκλο που το περιβάλλει. Φαίνεται ότι με μεγαλύτερο διάφραγμα οι φακοί είναι σε θέση να επιλύσουν τις εικόνες πιο λεπτομερώς. 

Περίθλαση μονής σχισμής: Λαμβάνεται η περίθλαση μιας μακράς σχισμής με αμελητέο πλάτος. Η σχισμή στη συνέχεια φωτίζεται με μια σημειακή πηγή φωτός. Αφού περάσει από τη σχισμή, το φως διασπάται σε μια σειρά κυκλικών προσόψεων κύματος. Η σχισμή είναι ευρύτερη από το μήκος κύματος του φωτός και μπορεί να δημιουργήσει μοτίβα παρεμβολών στο χώρο που βρίσκεται κάτω από τη σχισμή.

Μοτίβο περίθλασης όπως παρατηρείται μέσα από μία μόνο σχισμή. μπορεί να λυγίσει το φως στις γωνίες).Πηγή εικόνας: Dicklyon at Αγγλικά WikipediaWave Diffraction 4Lambda Slit, (μπορεί να λυγίσει το φως γύρω από τις γωνίες) επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά Wikimedia Commons

TΗ ιδέα της κάμψης του φωτός μπορεί να προκαλέσει πιστοποίησηain qεντυπώσεις στο μυαλό των ανθρώπων. Ας ρίξουμε μια ματιά σε μερικές από αυτές τις ερωτήσεις:

Το φως ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή; Αν ναι, πώς;

Το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα και ως εκ τούτου ταξιδεύει με τη μορφή κύματος. Ωστόσο, το μήκος κύματος του φωτός είναι πολύ μικρό. Ως εκ τούτου, ένα κύμα φωτός λαμβάνεται περίπου ως ακτίνα που ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή. Η κυματική ιδιότητα του φωτός μπορεί να παρατηρηθεί μόνο όταν αλληλεπιδρά με αντικείμενα που έχουν μέγεθος συγκρίσιμο με το μήκος κύματος του φωτός. Για τα αντικείμενα της καθημερινής μας ζωής, η αλληλεπίδραση με το φως λαμβάνεται ως ακτίνες που ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή. Για μικρότερα αντικείμενα, το φως κάμπτεται γύρω από τις γωνίες λόγω περίθλασης.

Πώς σχετίζεται η παρεμβολή με τα κύματα του νερού;

μπορεί να λυγίσει το φως γύρω από τις γωνίες
Κύματα νερού.
 Πηγή εικόνας: (μπορεί το φως να κάμπτεται στις γωνίες)VerbcatcherΠερίθλαση κυμάτων στη Blue Lagoon, AbereiddyCC BY-SA 4.0

Η παρεμβολή των κυμάτων φωτός προκαλεί τα οπτικά εφέ που προκύπτουν από την κάμψηεισαγωγή φωτός. Μπορούμε να οραματιστούμε αυτό το γεγονός φανταζόμενοι τα κύματα του φωτός ως κύματα νερού. Υποθέτοντας ότι κρατάτε μια ξύλινη σανίδα σε μια επιφάνεια νερού για να επιπλέει, θα παρατηρήσετε ότι τα κύματα του νερού θα κάνουν την ξύλινη σανίδα να αναπηδά πάνω -κάτω σύμφωνα με τα προσπίπτοντα κύματα νερού. Αυτά τα κύματα νερού εξαπλώνονται περαιτέρω προς κάθε κατεύθυνση και παρεμβαίνουν στα γειτονικά κύματα νερού.

Όταν οι κορυφές δύο κυμάτων νερού συγχωνεύονται οδηγεί στο σχηματισμό ενός ενισχυμένου κύματος, δηλαδή λαμβάνει χώρα εποικοδομητική παρεμβολή. Ωστόσο, όταν η κοιλότητα ενός κύματος παρεμβαίνει στην κορυφή ενός άλλου κύματος, ακυρώνονται μεταξύ τους με αποτέλεσμα ένα μηδενικό πλάτος που δεν έχει κάθετη μετατόπιση, δηλαδή καταστροφικές παρεμβολές. Όταν παρεμβάλλονται οι γούρνες δύο ξεχωριστών κυμάτων σχηματίζουν μια πιο καταθλιπτική κοιλότητα.

Το ίδιο μοτίβο παρατηρείται στην περίπτωση των κυμάτων φωτός. Όταν το φως από τον ήλιο συναντά σταγονίδια νερού αιωρούμενα στην ατμόσφαιρα, τα κύματα φωτός αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που αναφέρθηκε παραπάνω στην περίπτωση των κυμάτων νερού. Στην περίπτωση των κυμάτων φωτός, η εποικοδομητική παρέμβαση λαμβάνει χώρα όταν το μέγιστο πλάτος δύο φωτεινών κυμάτων αλληλεπιδρούν για να παράγουν ένα πιο ενισχυμένο κύμα.

Με άλλα λόγια, όταν δύο κορυφές φωτεινών κυμάτων αλληλεπιδρούν ή παρεμβαίνουν σχηματίζουν ένα φωτεινότερο μοτίβοΤο Οι καταστροφικές παρεμβολές εμφανίζονται όταν η κοιλότητα ενός φωτεινού κύματος παρεμβαίνει στην κορυφή ενός άλλου κύματος. Αυτή η καταστροφική παρέμβαση παρατηρείται από το σχηματισμό ενός πιο σκοτεινού μοτίβου. 

Η περίθλαση του φωτός προκαλεί την εμφάνιση των χρωμάτων σε έναν ιστό αράχνης. (μπορεί να λυγίσει το φως στις γωνίες)
Πηγή εικόνας: Brocken InagloryΜοτίβο περίθλασης στον ιστό της αράχνηςCC BY-SA 3.0

Πώς μπορεί το φως να κάμπτεται στις γωνίες μέσα σε μια οπτική ίνα;


Οι ακτίνες φωτός διαθλούνται μετά την είσοδο στο υλικό της οπτικής ίνας.

Τα κύματα φωτός διαδίδονται μέσω του πυρήνα της οπτικής ίνας διαθλώντας μπρος -πίσω από το όριο ή τη διεπαφή μεταξύ του πυρήνα και της επένδυσης. Το φως διαδίδεται μέσω της οπτικής ίνας χωρίς να περνά ή να μεταδίδεται μέσω της ίνας από ένα φαινόμενο ολικής εσωτερικής διάθλασης. 

Η συνολική εσωτερική ανάκλαση μπορεί να λάβει χώρα μόνο όταν η γωνία του προσπίπτοντος φωτός στο όριο της οπτικής ίνας είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία της ίνας. Όταν η γωνία είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία, το φως διαθλάται στην οπτική ίνα αντί να διαρρέει από την επένδυση.

Ποια είναι η κατάσταση της μέγιστης απόκλισης του φωτός στο πρίσμα;

Η μέγιστη απόκλιση του φωτός σε ένα πρίσμα μπορεί να είναι δυνατή λόγω των ακόλουθων δύο συνθηκών:

1. Η μέγιστη απόκλιση του φωτός μπορεί να λάβει χώρα μόνο εάν η γωνία που προσπίπτει στο πρίσμα είναι ορθή γωνία, δηλαδή 90 μοίρες. Αυτή η ιδιότητα είναι επίσης γνωστή ως συχνότητα βόσκησης λόγω του ότι οι ακτίνες φωτός σχεδόν «βόσκουν» κατά μήκος της επιφάνειας του πρίσματος.

2. Η δεύτερη προϋπόθεση για τη μέγιστη απόκλιση του φωτός σε ένα πρίσμα είναι ότι όταν μια αναδυόμενη ακτίνα ανακλάται σε 90 μοίρες ή μπορούμε να πούμε ότι βόσκει κατά μήκος της επιφάνειας του πρίσματος. Αυτή η κατάσταση είναι παρόμοια με την κατάσταση που αναφέρθηκε παραπάνω για τη δεύτερη επιφάνεια.

Σημείωση: δεν πρέπει να συγχέουμε τη μέγιστη γωνία απόκλισης με τη γωνία ελάχιστης απόκλισης ενός πρίσματος.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ διάχυσης και διάθλασης;

Σκέδαση φωτός: Η σκέδαση του φωτός συμβαίνει όταν το φως προσκρούει σε μικρά αντικείμενα όπως σωματίδια σκόνης ή αέρια μόρια υδρατμών, τείνει να αποκλίνει από την ευθεία πορεία διάδοσής του. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σκέδαση φωτός. Η διασπορά του φωτός μπορεί να παρατηρηθεί ή να παρατηρηθεί σε διάφορα περιβαλλοντικά φαινόμενα. Το μπλε χρώμα του ουρανού, το λευκό χρώμα των σύννεφων, το κόκκινο χρώμα του ουρανού κατά τη δύση του ηλίου και την ανατολή του ηλίου, το φαινόμενο Tyndall κ.λπ. είναι μερικά παραδείγματα σκέδασης του φωτός.

Τα φανάρια ή τα σήματα κινδύνου έχουν συνήθως κόκκινο χρώμα γιατί το κόκκινο διασκορπίζεται λιγότερο από όλα τα μήκη κύματος. Η έκταση της σκέδασης είναι αντιστρόφως ανάλογη με την τέταρτη ισχύ του μήκους κύματος του φωτός. Το φαινόμενο της σκέδασης μπορεί να παρατηρηθεί ως αλληλεπιδράσεις κυμάτων και αλληλεπιδράσεις σωματιδίων και οι δύο. Η ιδιότητα της σκέδασης συνδέεται με αλληλεπιδράσεις κυμάτων.

Περίθλαση φωτός: Η περίθλαση του φωτός αναφέρεται στο φαινόμενο με το οποίο οι ακτίνες φωτός τείνουν να κάμπτονται στις γωνίες ενός αντικειμένου με μέγεθος συγκρίσιμο με το μήκος κύματος του φωτός. Η περίθλαση παρατηρείται μόνο αντιμετωπίζοντας το φως μόνο ως κύμα. Η ιδιότητα της περίθλασης συνδέεται με τη διάδοση του κύματος. Το μοτίβο παρεμβολής μοτίβου που παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος με μία σχισμή, σχάρα, ολογράμματα εκκρίσεων εμφανίζονται λόγω περίθλασης.

Είναι δυνατόν μια προσπίπτουσα ακτίνα να έχει γωνία μεγαλύτερη από 90 μοίρες;

Η γωνία πρόσπτωσης σε μια επιφάνεια ορίζεται ως η γωνία που δημιουργείται από την ακτίνα φωτός από την κανονική έως το σημείο που αγγίζει. Επομένως, η μέγιστη γωνία που μπορεί να γίνει με την κανονική προς την επιφάνεια είναι 90 μοίρες εκατέρωθεν.

Ελπίζουμε ότι αυτή η ανάρτηση απάντησε στα ερωτήματά σας ανακτώντας το φαινόμενο της περίθλασης.

Σχετικά με το Sanchari Chakraborty

Είμαι πρόθυμος μαθητευόμενος, επί του παρόντος επενδύω στον τομέα της Εφαρμοσμένης Οπτικής και της Φωτονικής. Είμαι επίσης ενεργό μέλος του SPIE (Διεθνής Εταιρεία Οπτικής και Φωτονικής) και του OSI (Optical Society of India). Τα άρθρα μου έχουν ως στόχο να φέρουν στο φως ποιοτικά επιστημονικά ερευνητικά θέματα με απλό αλλά ενημερωτικό τρόπο. Η επιστήμη εξελίσσεται από αμνημονεύτων χρόνων. Γι 'αυτό, προσπαθώ να αξιοποιήσω την εξέλιξη και να το παρουσιάσω στους αναγνώστες.

Ας συνδεθούμε μέσω https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

Lambda Geeks