Quả bóng thay vì ống kính

42

Hình 1. Ảnh chụp bằng máy ảnh Zenit, trong đó ống kính được thay thế bằng một mảnh giấy đen có chữ bác bỏ. Đường kính loại bỏ 0,2 mm, độ nhạy phim 65 đơn vị, tốc độ màn trập 5 giây.

Quang học hình học dựa trên ý tưởng về tính thẳng của tia sáng. Thực hành dạy chúng ta điều này. Bản thân bạn có thể dễ dàng kiểm tra thí nghiệm xác nhận tính thẳng của sự truyền ánh sáng. Thay ống kính máy ảnh bằng một mảnh giấy đen có đâm một miếng từ chối nhỏ vào đó. Một “máy ảnh lỗ” (được gọi là camera obscura) như vậy có thể tạo ra ảnh chụp các vật thể được chiếu sáng rực rỡ, tương tự như bức ảnh được hiển thị trong Hình 1. Hình ảnh trên phim tương ứng chính xác với hình chiếu trung tâm của các điểm của vật thể với các đường thẳng đi qua vùng bác bỏ, đây là một lập luận mạnh mẽ cho ý tưởng coi các tia sáng là đường thẳng.

Chúng tôi định nghĩa sự hình thành bóng trên màn hình trắng từ một vật thể mờ đục là hình chiếu đường viền của vật thể lên mặt phẳng của màn hình bằng các tia phát ra từ mỗi điểm của nguồn sáng. Vì nguồn sáng thường khá lớn nên ranh giới bóng được bao quanh bởi vùng nửa tối và mờ. Người ta có thể nghĩ rằng bằng cách giảm kích thước của nguồn, chúng ta sẽ làm khô vùng bóng tối và cuối cùng thu được bóng sắc nét. Tuy nhiên, kinh nghiệm cho thấy rằng khi nguồn sáng trở nên quá nhỏ, sẽ bộc lộ hiện tượng mà trước đây đã bị vùng tranh tối tranh sáng tạo thành khối. Lấy cạnh của tấm mờ cùng với bóng sắc nét sẽ cho hình ảnh như trong Hình 2. Cạnh của bóng mờ và song song với nó là các sọc tối và sáng có cấu trúc giảm dần. Nếu nguồn sáng có màu trắng thì các sọc có màu cầu vồng.

Bóng của một sợi dây mỏng (Hình 3) cũng có cấu trúc phức tạp. Ở bên ngoài nó có các sọc, giống như ở mép của một tấm mờ đục, còn bên trong bóng có các sọc đậm và nhạt, tất cả đều hẹp hơn chỉ là dây.

Bóng của một quả bóng hoặc một chiếc đĩa nhỏ mờ đục trông hoàn toàn bất ngờ (Hình 4). Ngoài các bánh xe sáng và tối bao quanh bóng tối và tương tự như các sọc đã quen thuộc với chúng ta, ở trung tâm của bóng tối, bạn có thể thấy một đốm sáng, như thể một vật từ chối nhỏ đã bị xuyên thủng ở giữa đĩa.

Hiện tượng trong đó nó được tìm thấy

43

Hình 3. Nhiễu xạ từ một dây mỏng. Chụp ở ánh sáng trắng qua bộ lọc màu đỏ. Đường kính dây 1,2 mm. Khoảng cách từ dây đến phim là 0,5 m.

Hóa ra ánh sáng không truyền theo các định luật quang học hình học, gọi là nhiễu xạ. Lý do của họ nằm ở bản chất sóng của ánh sáng. Sự mô tả chính xác sự truyền ánh sáng được đưa ra không phải bằng cấu trúc của tia mà bằng mô hình truyền sóng.

Hãy tưởng tượng những làn sóng tròn chuyển hướng từ một hòn đá ném dọc theo bề mặt yên tĩnh của một cái ao. Nếu sóng chạm tới một khúc gỗ nổi trên bề mặt, thì một bóng rõ ràng sẽ hình thành phía sau khúc gỗ, ranh giới của chúng được xác định bởi các tia vẽ từ điểm rơi của hòn đá qua các đầu của khúc gỗ. Tuy nhiên, ở vùng bóng bạn cũng có thể nhận thấy sóng trên mặt nước, mặc dù yếu hơn. Đây là hiện tượng nhiễu xạ, trong trường hợp này không làm biến dạng hình ảnh của bóng hình học nhiều. Nếu các sóng gặp một đống trên đường đi của chúng, thì ở một khoảng cách ngắn phía sau nó, mô hình sóng lan rộng sẽ có chút giống với một cái bóng hình học. Cuối cùng, nếu sóng gặp một cột mỏng nhô lên khỏi mặt nước thì bóng sẽ không hình thành chút nào. Sóng tự do uốn cong quanh những chướng ngại vật nhỏ. Trên mặt nước bạn sẽ chỉ nhận thấy một làn sóng tròn yếu, bị khuếch tán bởi cực.

Do đó, trong quá trình truyền sóng, có thể có cả hai trường hợp khi các tia thẳng mô tả tốt các hiện tượng quan sát được và các trường hợp khi kiểu nhiễu xạ chiếm ưu thế. Mọi thứ phụ thuộc vào sự tương ứng giữa bước sóng, kích thước của chướng ngại vật (hoặc phản ứng) giới hạn sóng và khoảng cách đến mặt phẳng quan sát. Tóm lại, điều này có thể được trình bày như sau: nếu từ các điểm trên màn hình mà chúng ta quan sát thấy một cái bóng, một chướng ngại vật hoặc một phản ứng ở một góc lớn hơn góc mà bước sóng có thể nhìn thấy được từ một khoảng cách bằng đường kính của chướng ngại vật, thì nhiễu xạ không làm biến dạng mô hình tia sáng nhiều. Ở dạng công thức, điều này có thể được viết như sau: $\frac{a}{R} \gg \frac{\lambda}{a}$, trong đó $a$ là kích thước của phản hồi, $R$ là khoảng cách đến màn hình nơi quan sát thấy bóng và $\lambda$ là bước sóng. Nếu các góc bằng nhau hoặc góc thứ nhất nhỏ hơn góc thứ hai, tức là $\frac{a}{R} \leqslant \frac{\lambda}{a}$, thì nhiễu xạ đóng một vai trò nhất định và các biểu diễn tia không thể áp dụng được.

44

Hình 5. Lắp đặt để quan sát và chụp ảnh các mẫu nhiễu xạ. 1 - đèn, 2 - thấu kính chiếu, 3 - nhiễu xạ chính xác với màn chắn ánh sáng, 4 - giá đỡ với thấu kính difrakini, 5 - ống bảo vệ ánh sáng, 6 - máy ảnh không có thấu kính.

Trong quang học, chúng thường xử lý lớp thứ nhất, vì bước sóng của ánh sáng khả kiến ​​rất ngắn (từ 0,7 μm đối với ánh sáng đỏ đến 0,4 μm đối với ánh sáng tím), nhưng ở khoảng cách lớn từ một lỗ nhỏ hoặc từ một sợi dây mỏng, lớp thứ hai cũng có thể xuất hiện.

Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng có thể được quan sát bằng những phương tiện rất khiêm tốn. Dùng đầu kim nhọn chọc một lỗ 0,1-0,2 mm trên giấy bạc mỏng và dán giấy bạc lên một tấm bìa cứng có lỗ, lỗ này cần thiết để ánh sáng từ nguồn - đèn bàn thông thường - không cản trở việc quan sát. Sau khi đặt một tấm bìa cứng lên giá đỡ, dùng thấu kính có tiêu cự 4 - 6 cm chiếu lên đó một hình ảnh phóng to của sợi tóc đèn sao cho một phần hình ảnh của sợi tóc rơi vào lỗ trên giấy bạc. Một hình nón ánh sáng được hình thành phía sau lỗ, có thể dễ dàng tìm thấy bằng vòng tròn ánh sáng trên kính mờ hoặc bằng mắt (khi mắt đi vào hình nón ánh sáng, lỗ có vẻ phát sáng rực rỡ). Ở khoảng cách khoảng 0,5 m tính từ lỗ, chúng ta sẽ đặt các vật trong chùm sáng và chúng ta sẽ quan sát vân nhiễu xạ ở khoảng cách cũng khoảng 0,5 m phía sau vật. Việc quan sát phải được thực hiện qua một thấu kính yếu có tiêu cự 2-5 cm, gắn trên giá đỡ và mắt phải đặt ở khoảng cách xa với thấu kính để nó luôn được chiếu sáng rực rỡ. Trên nền sáng, vân nhiễu xạ sẽ hiện rõ.

Hình 5 thể hiện một bức ảnh chụp hệ thống trong đó thu được tất cả các mẫu nhiễu xạ có trong bài viết này. Một băng ghế quang học đã được sử dụng, tất nhiên là không cần thiết; để gia cố các vật thể bằng bất kỳ giá ba chân nào bằng chuyển động vít, việc đưa mô hình nhiễu xạ đến tâm của trường nhìn sẽ dễ dàng hơn nhiều.

Bóng từ cạnh thẳng của màn hình mờ đục mang lại cho bạn cạnh của một chiếc dao cạo an toàn. Từ hai lưỡi dao, bạn có thể tạo một khoảng cách rộng 0,3-1 mm. Một đoạn dây có đường kính lên tới 1 mm sẽ thể hiện sự nhiễu xạ từ màn hẹp. Sự nhiễu xạ từ đầu kim trông rất thú vị.

Để quan sát một điểm sáng ở tâm bóng của một vật tròn, lấy một quả bóng thép từ ổ trục có đường kính 2-4 mm. Dùng một giọt keo dán quả bóng vào tấm kính. (Cần đảm bảo rằng keo không nhô ra ngoài đường viền của quả bóng và bề mặt của kính và quả bóng sạch sẽ.) Khi keo khô, gắn tấm có quả bóng vào vị trí lắp đặt. Di chuyển tấm, đưa bóng của quả bóng vào giữa trường nhìn. Trong trường hợp này, cả vòng nhiễu xạ bên ngoài và điểm ở trung tâm, được bao quanh bởi các vòng tối và sáng, sẽ được nhìn thấy rõ ràng.

Bạn có thể sẽ muốn chụp ảnh các mẫu nhiễu xạ. Điều này rất dễ thực hiện nếu bạn sử dụng máy ảnh có ống kính bị vặn ra. Bóng từ vật thể

45

Hình 6. Chụp ảnh với quả bóng. Cổ phần bên ngoài được đặt. Đường kính bóng 4 mm. Chiều cao biểu tượng 1 mm. Phạm vi này có được bằng cách chụp ảnh một chữ cái được vẽ bằng mực trên giấy trắng trên một tấm phim tương phản.

chiếu trực tiếp lên mặt phẳng phim. Để các vân nhiễu xạ trong ảnh rõ hơn và số lượng của chúng nhiều hơn, những vật chịu trách nhiệm đóng vai trò là nguồn sáng phải được phủ một bộ lọc ánh sáng, loại có màu đỏ tốt nhất, vì có nhiều tia đỏ trong quang phổ của đèn sợi đốt. Đối với phim thông thường, thời gian phơi sáng từ 5-10 giây là đủ. Để tránh làm lộ phim, phải đặt một ống bên trong màu đen giữa thiết bị và vật thể.

Việc trộn nguồn sáng sẽ làm cho bóng thay đổi, và do đó thay đổi điểm. Do đó, nếu bạn lấy một phạm vi kích thước cùng với nguồn chính xác, thì mỗi điểm phát âm trên đó sẽ tạo ra bóng bóng hơi hỗn hợp riêng với điểm sáng riêng. Kết quả là, các vòng nhiễu xạ bên ngoài được đặt và hình ảnh phạm vi có thể được nhìn thấy ở trung tâm của bóng. Quả bóng sẽ hoạt động giống như một thấu kính. Đây chính xác là cách thu được bức ảnh của ký hiệu hằng số Planck (Hình 6).

Bằng cách khoan một lỗ tròn có đường kính khoảng 2 mm vào tấm kim loại mỏng, bạn có thể quan sát mô hình nhiễu xạ thay đổi như thế nào so với lỗ tròn ở những khoảng cách khác nhau với nó. Bằng cách che nguồn sáng bằng bộ lọc ánh sáng và đưa mắt và mặt trăng đến gần câu trả lời hơn, bắt đầu từ khoảng cách 1-2 m, bạn sẽ thấy các vòng tròn màu đen xuất hiện ở giữa bức ảnh như thế nào, khi mắt đến gần, biến thành các vòng tối, lan ra các mép của bóng. Số lượng vệt tối, bao gồm cả điểm tối ở trung tâm, được xác định bởi sự khác biệt về đường truyền ánh sáng của chùm tia trung tâm và chùm tia tới từ rìa của cành cây. Điều này có thể được sử dụng để xác định bước sóng của ánh sáng. Để thực hiện phép tính, bạn cần biết đường kính của cành, thay đổi khoảng cách từ nguồn sáng đến cành và khoảng cách từ cành đến mặt phẳng quan sát. Vị trí của mặt phẳng quan sát có thể được xác định bằng cách đặt kính lúp và đầu trong trường quan sát và di chuyển nó cho đến khi mắt có vẻ sắc nét trên nền của mẫu nhiễu xạ đang được nghiên cứu. Vị trí của còi xác định mặt phẳng được nhìn qua kính lúp. Dưới đây chúng tôi sẽ giải thích cách rút ra công thức tính toán.

Trong ánh sáng trắng, bạn có thể quan sát thấy sự thay đổi màu sắc tuyệt đẹp của các vệt nhiễu xạ. Màu sắc bạn nhìn thấy không phải là màu quang phổ. Chúng được gọi là bổ sung và được quan sát thấy khi bất kỳ một vùng quang phổ nào bị loại bỏ khỏi toàn bộ quang phổ của ánh sáng trắng. Trong trường hợp của chúng tôi, chẳng hạn, khi ở trung tâm có một điểm tối dành cho ánh sáng xấu, thì các phần còn lại của quang phổ, tức là đỏ-cam và tím, tô màu tím cho trung tâm của bức tranh. Sự vắng mặt của màu đỏ dẫn đến màu bổ sung xanh lục-xanh lam, v.v. Hình 7 cho thấy các ví dụ về các mẫu nhiễu xạ từ phản ứng tròn.

Tại sao lại xuất hiện một điểm tối ở trung tâm, nơi các sóng dường như liên tục ập đến?

Hãy quay trở lại với những quan sát của chúng tôi