光的衍射

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簡介

光的衍射是波動光學的一個重要概念。波動光學可以解釋光的反射和折射現象。光以波的形式傳播的方向由光屏本身指示。當一塊石頭掉入靜止的水面上時，漣漪會從石頭落下的區域向周圍擴散。

這個事件是波傳播的完美示例。當波紋經過某一點時，該點的水分子或粒子上下移動（或振盪）。與焦點等距的所有波節點都具有同相共振的波前。

什麼是衍射？

• 所有波，如聲波、光波和水波，都具有衍射的共同特徵。

• 波繞過障礙物邊緣彎曲並在障礙物的幾何陰影內傳播的現象稱為衍射。

• 穿過介質的光線沿直線傳播，沒有任何彎曲。但是，只有當障礙物的大小與波長相當時，才會發生衍射。

• 為了使光發生衍射，障礙物的大小必須與光的波長相當。

• 根據所得波前的形狀，衍射可分為兩種型別。

  • 菲涅耳衍射

  • 夫琅禾費衍射

什麼是單縫衍射？

• 考慮平行光束垂直入射到寬度為 AB 的單縫上。

• 衍射光束落在放置在稱為狹縫中心的距離處的螢幕上。

• 透過點 C 並垂直於狹縫平面的直線到達螢幕上的一個點。可以找到螢幕上任何點（即點 P）的光強度。

• 從狹縫不同點到達 P 的直線可以被認為是平行線，與垂直線成 θ 角。

• 來自狹縫不同點的平行光波在點 P 和螢幕上的其他點相交，從而給出合成光強度。

• 點 P 位於幾何圖形的陰影區域。由於衍射，中心最大值延伸到該區域。

• 螢幕上的點 P 應找到實現不同極小值的條件。

• 如果將狹縫分成偶數個小部分，則來自這些部分的光波的路徑差相加並在點 P 處引起相消干涉，從而產生最小光強度。

• 為了解釋最大值，應將狹縫視為奇數段。

單縫衍射公式

狹縫 AB 應分成兩半 AC 和 CB。現在 AC 的寬度為 (a/2)。間隙 (a/2) 中寬度的不同點稱為對應點。

來自對應點的光波在點 P 處重疊並導致相消干涉，從而導致第一個極小值。來自對應點的光波的路徑差為，

$$\mathrm{\delta =\frac{a}{2} sinθ}$$

$$\mathrm{點 P 為第一個極小值的條件}$$

$$\mathrm{\frac{a}{2} sinθ=\frac {\lambda }{2}}$$

$$\mathrm{BN= a\:sinθ=\lambda (第一個極小值)}$$

$$\mathrm{點 P 為第二個極小值的條件}$$

$$\mathrm{\frac{a}{4}sinθ=\frac {\lambda }{2}}$$

$$\mathrm{BN= a\: sinθ=2\lambda (第二個極小值)}$$

$$\mathrm{點 P 為第 n 個極小值的條件}$$

將狹縫分成 2n 等份。第 n 個極小值發生的條件是來自對應點的光波被來自另一個對應點的光波抵消，即，$ \mathrm{\frac{a}{2n} sinθ=\frac{λ}{2}}$

$$\mathrm{a\: sinθ=n\lambda (第 n 個極小值)}$$

中心最大值

為了達到最大值，必須將狹縫分成奇數個相等的部分。透過這種劃分，來自任何對應點的光波不會被破壞，因此點 P 將具有最大強度。

$$\mathrm{第一個最大值的條件，}$$

$$\mathrm{\frac{a}{3}sinθ=\frac{λ}{2}}$$

$$\mathrm{a\: sinθ=\frac{3λ}{2}}$$

$$\mathrm{第二個最大值的條件，}$$

$$\mathrm{\frac{a}{5} sinθ=\frac{λ}{2}}$$

$$\mathrm{BN = a\: sinθ=\frac{5λ}{2}}$$

類似地，第 n 個最大值的條件

$$\mathrm{a\: sinθ=(2n+1)\frac{λ}{2} (第 n 個最大值)}$$

中心最大值稱為零級最大值。最大強度幾乎在連續的極小值之間找到。

結論

波動光學可以解釋光的反射和折射現象。所有波，如聲波、光波和水波，都具有衍射的共同特徵。波繞過障礙物邊緣彎曲並在障礙物的幾何陰影內傳播的現象稱為衍射。

穿過介質的光線沿直線傳播，沒有任何彎曲。但是，只有當障礙物的大小與光的波長相當時，才會發生衍射。中心最大值稱為零級最大值。最大強度幾乎在連續的極小值之間找到。

常見問題

1.定義光的干涉

當兩列光波重疊時，在某些點光強度增加而在其他點光強度減小的現象稱為光的干涉。

2.解釋光的散射

電磁輻射的散射是指光波在穿過光介質、介質中的缺陷或與另一種介質的介面時，在意外方向上的散射。

3.為什麼晴朗的天空是藍色的？

在白天，較短波長的藍色被大氣中的粒子散射到整個大氣中。此外，人眼對藍色的敏感度高於紫色。正是由於這些原因，天空看起來是藍色的。

4.解釋麥克斯韋的電磁理論

• 麥克斯韋證明了光是一種攜帶電磁能量並以干涉形式傳播的電磁波。根據麥克斯韋的理論，光是一種電磁波。

• 此外，麥克斯韋能夠證明電磁波不需要任何介質就能傳播。這種方法在所有光的情況下都證明是成功的。

5.為什麼水上的油膜和肥皂泡會呈現出迷人的顏色？

這些顏色的原因是白光射線在薄膜的表面和底部之間多次反射產生的干涉。這些顏色取決於光的入射角、薄膜的折射率和薄膜的厚度。

6.什麼是漫反射？

• 當光照射到粗糙表面時，光會被表面上的細微脊狀物散射到許多方向。這種型別的反射稱為漫反射。因此，不會自動形成影像，它們會從每個物體反射。

• 光的形狀取決於它反射的表面。漫反射的一個常見例子是朗伯反射。

7.電磁波的特性是什麼？

• 電磁波是由加速帶電粒子產生的。這種散射是由於波的偏轉而發生的。

• 這些波不是機械波，因為它們可以在沒有任何介質的幫助下傳播。

• 這些波的速度等於真空中光速。