Nhiễu xạ

Một sóng phẳng đi qua hai khe và bị nhiễu xạ, tạo ra sóng lan toả ra mọi phía từ hai khe, hai luồng sóng lan từ hai khe lại giao thoa tiếp với nhau.

Nhiễu xạ (Anh: Diffraction) là hiện tượng quan sát được khi sóng lan truyền qua khe nhỏ hoặc mép vật cản (rõ nhất với các vật cản có kích thước tương đương với bước sóng), trong đó sóng bị lệch hướng lan truyền, lan toả về mọi phía từ vị trí vật cản, và tự giao thoa với các sóng khác lan ra từ vật cản.

Hiện tượng nhiễu xạ đã được quan sát với mọi loại sóng, như âm thanh, sóng nước, sóng điện từ (như ánh sáng hay sóng radio), hay các hạt thể hiện tính chất sóng thông qua lưỡng tính sóng hạt.

Lịch sử nghiên cứu

Bản vẽ của Young về nhiễu xạ hai khe hở của sóng nước, được ông trình bày cho Hội Hoàng gia năm 1803.

Hiệu ứng nhiễu xạ của ánh sáng lần đầu được quan sát và mô tả tỉ mỉ bởi nhà vật lí Francesco Maria Grimaldi, người đã đặt ra khái niệm nhiễu xạ (trong tiếng Anh là diffraction) từ khái niệm diffringere trong tiếng Latin có nghĩa là tách ra thành nhiều mảnh. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu chỉ của Grimaldi chỉ được công bố sau khi ông qua đời vào năm 1665.^[1][2][3] Isaac Newton nghiên cứu về hiện tượng này và quy chúng thành sự uốn cong của tia sáng. James Gregory (1638 - 1675) quan sát mô hình nhiễu xạ gây ra bởi một sợi lông chim, và đây là cách tử nhiễu xạ hiệu quả đầu tiên được khám phá.^[4] Thomas Young tiến hành thí nghiệm nổi tiếng vào năm 1803 thể hiện sự giao thoa ánh sáng từ hai khe hở nhỏ gần nhau.^[5] Young giải thích kết quả như là hiện tượng giao thoa giữa các sóng phát ra từ khe hở, ông quả quyết rằng ánh sáng là sóng. Augustin-Jean Fresnel tiến hành thêm các cuộc nghiên cứu và tính toán dứt khoát về hiện tượng nhiễu xạ, công bố năm 1816,^[6] và 1818 ^[7] và từ đó tạo ra sự ủng hộ thuyết sóng ánh sáng mà đã được phát triển bởi Christiaan Huygens^[8] và được tiếp thêm sức mạnh bởi Young, chống lại thuyết hạt ánh sáng thuần tuý của Newton.

Cơ chế

Trong Vật lí cổ điển hiện tượng nhiễu xạ xảy ra do cách mà sóng được lan truyền; nó được mô tả bởi Nguyên lí Huyghens - Fresnel và Nguyên lí chồng chập. Sự truyền của sóng có thể được hình dung bằng cách coi mọi chất điểm trong môi trường truyền của đầu sóng là một nguồn điểm của một sóng cầu thứ cấp.

Ví dụ

Chú thích

1. Francesco Maria Grimaldi, Physico-mathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque adnexis … [The physical mathematics of light, color, and the rainbow, and other things appended …] (Bologna ("Bonomia"), (Italy): Vittorio Bonati, 1665), pp. 1–11 Lưu trữ 2016-12-01 tại Wayback Machine: "Propositio I. Lumen propagatur seu diffunditur non solum directe, refracte, ac reflexe, sed etiam alio quodam quarto modo, diffracte." (Proposition 1. Light propagates or spreads not only in a straight line, by refraction, and by reflection, but also by a somewhat different fourth way: by diffraction.) On p. 187, Grimaldi also discusses the interference of light from two sources: "Propositio XXII. Lumen aliquando per sui communicationem reddit obscuriorem superficiem corporis aliunde, ac prius illustratam." (Proposition 22. Sometimes light, as a result of its transmission, renders dark a body's surface, [which had been] previously illuminated by another [source].)
2. Jean Louis Aubert (1760). Memoires pour l'histoire des sciences et des beaux arts. Paris: Impr. de S. A. S.; Chez E. Ganeau. tr. 149. grimaldi diffraction 0-1800.
3. Sir David Brewster (1831). A Treatise on Optics. London: Longman, Rees, Orme, Brown & Green and John Taylor. tr. 95.
4. Letter from James Gregory to John Collins, dated ngày 13 tháng 5 năm 1673. Reprinted in: Correspondence of Scientific Men of the Seventeenth Century …, ed. Stephen Jordan Rigaud (Oxford, England: Oxford University Press, 1841), vol. 2, pp. 251–255, especially p. 254 Lưu trữ 2016-12-01 tại Wayback Machine.
5. Thomas Young (ngày 1 tháng 1 năm 1804). “The Bakerian Lecture: Experiments and calculations relative to physical optics”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 94: 1–16. Bibcode:1804RSPT...94....1Y. doi:10.1098/rstl.1804.0001. S2CID 110408369.. (Note: This lecture was presented before the Royal Society on ngày 24 tháng 11 năm 1803.)
6. Fresnel, Augustin-Jean (1816), "Mémoire sur la diffraction de la lumière" ("Memoir on the diffraction of light"), Annales de Chimie et de Physique, vol. 1, pp. 239–81 (March 1816); reprinted as "Deuxième Mémoire…" ("Second Memoir…") in Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel, vol. 1 (Paris: Imprimerie Impériale, 1866), pp. 89–122. (Revision of the "First Memoir" submitted on 15 October 1815.)
7. Fresnel, Augustin-Jean (1818), "Mémoire sur la diffraction de la lumière" ("Memoir on the diffraction of light"), deposited 29 July 1818, "crowned" 15 March 1819, published in Mémoires de l'Académie Royale des Sciences de l'Institut de France, vol. V (for 1821 & 1822, printed 1826), pp. 339–475; reprinted in Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel, vol. 1 (Paris: Imprimerie Impériale, 1866), pp. 247–364; partly translated as "Fresnel's prize memoir on the diffraction of light", in H. Crew (ed.), The Wave Theory of Light: Memoirs by Huygens, Young and Fresnel, American Book Company, 1900, pp. 81–144. (First published, as extracts only, in Annales de Chimie et de Physique, vol. 11 (1819), pp. 246–96, 337–78.)
8. Christiaan Huygens, Traité de la lumiere … Lưu trữ 2016-06-16 tại Wayback Machine (Leiden, Netherlands: Pieter van der Aa, 1690), Chapter 1. From p. 15 Lưu trữ 2016-12-01 tại Wayback Machine: "J'ay donc monstré de quelle façon l'on peut concevoir que la lumiere s'etend successivement par des ondes spheriques, … " (I have thus shown in what manner one can imagine that light propagates successively by spherical waves, …) (Note: Huygens published his Traité in 1690; however, in the preface to his book, Huygens states that in 1678 he first communicated his book to the French Royal Academy of Sciences.)

Tham khảo

Liên kết ngoài

• Wave Optics Lưu trữ 2010-01-15 tại Wayback Machine
• Diffraction approximations illustrated.