dyfrakcja fal

dyfrakcja fal, ugięcie fal,

fiz. zespół zjawisk związanych z odstępstwami od praw optyki geometrycznej występującymi podczas rozchodzenia się fal, na brzegach nieprzezroczystych przesłon, a także na niejednorodnościach ośrodka, i to tym wyraźniej, im bardziej rozmiary przeszkód (otworów) są zbliżone do długości fali.

Dyfrakcja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal: elektromagnetycznych (np. światła, promieniowania rentgenowskiego), sprężystych (np. dźwięku), fal de Broglie’a (fal materii; fal przypisanych poruszającym się cząstkom — elektronom, neutronom, atomom i in.). Dyfrakcja światła przejawia się brakiem wyraźnie zaznaczonej granicy cienia, a ponadto powstaniem układu prążków (ciemnych i jasnych lub barwnych) o zmiennym natężeniu. Analogiczne zjawisko obserwuje się dla innych rodzajów fal, np. fal na wodzie, fal de Broglie’a. Najprostszy, przybliżony opis dyfrakcji fal na otworach (krawędzi przesłony) wynika z zasady Huygensa–Fresnela; sprowadza się on do podzielenia obszaru otworu, na którym zachodzi dyfrakcja fal, na małe elementy, z których każdy staje się źródłem nowej fali kulistej, i zsumowaniu tych fal z uwzględnieniem ich amplitud i faz. Szczególnie prosty jest przebieg dyfrakcji fal na małych — w porównaniu z długością fali — otworach; otwór taki staje się źródłem wtórnej fali kulistej. W przypadku dyfrakcji fal na układzie wielu otworów (np. na siatce dyfrakcyjnej) interferencja fal pochodzących z poszczególnych źródeł (otworów) prowadzi do powstania charakterystycznych obrazów dyfrakcyjno-interferencyjnych (potocznie zwanych dyfrakcyjnymi) mających zwykle postać układu prążków lub punktów. Dyfrakcja fal (bez zmiany częstotliwości fali) zachodząca na małych centrach nazywa się zwykle rozpraszaniem sprężystym, np.: rozpraszanie fal ultradźwiękowych na małych obiektach w gazach, cieczach i ciałach stałych, rozpraszanie światła przez mgłę, rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego na elektronach związanych w atomach, rozpraszanie elektronów na atomach, czy też rozpraszanie cząstek na jądrach atomowych. W przypadku zjawisk tego rodzaju każde centrum staje się źródłem wtórnej fali kulistej o amplitudzie zależnej zwykle od kąta rozproszenia. Jeśli centra rozpraszające stanowią regularną strukturę przestrzenną, np. sieć krystaliczna, zachodzi interferencja fal rozproszonych na poszczególnych centrach (tzw. interferencyjne odbicie; Bragga–Wulfa równanie), powodując powstanie obrazów dyfrakcyjno-interferencyjnych; obserwuje się to zarówno w przypadku krótkich fal rentgenowskich, jak i fal de Broglie’a.

Dyfrakcja fal ma duże znaczenie w optyce, w tym także w optyce rentgenowskiej i elektronowej; stanowi jedną z przyczyn nieostrości obrazów dawanych przez przyrządy, a zatem ogranicza zdolność rozdzielczą takich przyrządów jak mikroskopy i teleskopy. Jednocześnie dyfrakcję światła wykorzystuje się w licznych przyrządach spektralnych i holografii. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego i dyfrakcja cząstek są wykorzystywane do badań struktury substancji (rentgenografia, krystalografia rentgenowska, rentgenostrukturalna analiza, elektronografia, neutronografia). Dyfrakcja dźwięku powoduje docieranie dźwięku za przeszkodę, a więc rozmazanie granicy cienia akustycznego; ma podstawowe znaczenie w akustyce wnętrz, m.in. decyduje o rozchodzeniu się dźwięków o niskich częstotliwościach w salach koncertowych.

Najwcześniej została poznana dyfrakcja światła — po raz pierwszy zaobserwował ją ok. 1660 F.M. Grimaldi; pierwszą próbę wyjaśnienia zjawiska na podstawie falowej teorii światła podał 1801 T. Young; następne teorie sformułowali i rozwijali: A.J. Fresnel (1818), H.L. Helmholtz (1859) i G.R. Kirchhoff (1882). Dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego na kryształach — zgodnie z sugestiami M. von Lauego, który następnie podał i sprawdził teorię zjawiska — pierwsi uzyskali W. Friedrich i P. Knipping, istnienie zaś dyfrakcji cząstek wykazali doświadczalnie (1927) C.J. Davisson, L.H. Germer i G.P. Thomson.