О чем рассказывает свет

Суворов Сергей Викторович

Если мы выделим лучи, которые отклоняются от угла ₁ иначе, чем в только что разобранном случае, то разность хода волн у соседних лучей будет иная, не + 1/100 , а, например, + 1/200 . По существу, это не меняет дела: лучи в этом направлении тоже погаснут. Разница лишь в том, что взаимно будут гаситься не 1 и 51 лучи, а 1 и 101, 2 и 102 и т. д. В решетке, в которой свыше ста

тысяч щелей, для каждого данного луча (в этом направлении) всегда найдется такой луч, который его погасит.

Общий итог таков: в дифракционных решетках свет усиливается только по строго избранным направлениям ₁, ₂, ₃ и т. д., по которым разность хода волн между соседними лучами составляет целое число волн: , 2, З и т. д. Во всех других направлениях свет гаснет. На экране появятся узкие цветные линии, перемежающиеся широкими темными полосами. Зато поток света, идущий в этих избранных направлениях, будет очень сильным: ведь в его создании участвуют не две, а огромное множество щелей.

Здесь следует сделать одно важное замечание. Электромагнитные волны несут энергию. Энергия, которую несет параллельный пучок лучей, падающий на решетку, вследствие интерференции позади решетки, конечно, не пропадает. Она только перераспределяется и сосредоточивается в некоторых направлениях, в которых световые лучи усиливают друг друга. Закон сохранения энергии справедлив и в случае интерференции.

Дифракционные спектры

Мы рассмотрели дифракционную картину одноцветных лучей. А какова будет картина, если мы дополнительно осветим решетку вторым, тоже одноцветным светом, но другой волны?

Для вторых лучей направления освещенности будут уже не ₁, ₂, ₃ и т. д., а какие-то другие, ибо у них другая длина волны и усиление света будет при другой разности хода. На экране наряду с линиями первого цвета на месте темных полос появятся яркие линии второго цвета.

Рис. 29. Так располагаются дифракционные спектры: Б — белая полоса; Ф — фиолетовые; К — красные концы спектров. Два левых и два правых крайних спектра частично налагаются друг на друга

Отсюда легко понять, что получится, если осветить дифракционную решетку белым (составным) светом. На экране появятся такие же цветные полосы, как и после прохождения белого света сквозь стеклянную призму. Дифракционная решетка разлагает белый свет на цветные полосы.

Дифракционная картина на экране будет выглядеть так. В центре расположится белая полоса. Это потому, что для лучей, идущих по перпендикуляру к решетке, разность хода волн между соседними лучами (1 и 2 и т. д.) равна нулю, они усиливают друг друга. А это справедливо для лучей всех цветов, поэтому лучи всех цветов будут в центре экрана усиливать друг друга. А совокупность всех цветов дает, как известно, белый цвет.

С обеих сторон от центральной полосы будут симметрично располагаться цветные спектральные полосы. Их будет по нескольку с обеих сторон. К центральной полосе они будут обращены фиолетовыми концами (рис. 29).

Так получаются спектры от дифракционной решетки.

Хорошие решетки должны содержать множество

очень точно расположенных щелей, и изготовить их — дело большого искусства и точности. Очень точная «делительная машина» царапает алмазом на гладкой поверхности стекла правильные ряды штрихов. Штрихи — это препятствия для света, а тончайшие, не тронутые алмазом промежуточные полоски — это щели, сквозь которые проходит свет. Такие дифракционные решетки называют прозрачными.

Отражательные решетки

Пока мы имеем дело с прозрачными решетками, мы снова пользуемся стеклом, а оно не прозрачно для многих видов излучения. Мы все еще не ушли от трудностей. Поможет ли нам открытие дифракционных спектров?

Оказывается, поможет. Прозрачные дифракционные решетки можно заменить отражательными, изготовленными на отполированной поверхности металла.

Рис. 30. Отражательная дифракционная решетка работает так же, как и прозрачная

Как же работают отражательные дифракционные решетки? Почему в них образуются спектры?

Представим себе, что А₁, А₂, А₃ и т. д. на рис. 30 обозначают уже не щели, а узкие зеркальные полоски; а идущие от решетки лучи 1,2, 3 и т. д. — отраженные лучи. Следовательно, падающие на решетку лучи шли до точек А₁, А₂ и т. д. не слева (как было, когда А₁, А₂ и т. д. были щелями), а справа и, упав на зеркальные полоски А₁, А₂ и т. д., отразились от них. Только в этом ходе лучей до точек А₁, А₂ и т. д. вся и разница. Наложение же отраженных лучей 1, 2, 3 и т. д. совершенно аналогично наложению лучей, прошедших сквозь щели. Все рассуждения, которые мы привели раньше, сохраняются в силе.

Таким образом, от отражательных решеток также можно получить дифракционные спектры. Но в чем различие? Различие в том, что при этом лучи уже не проходят сквозь материал, из которого изготовлена решетка, а отражаются от него. Для отражательной дифракционной решетки непрозрачность материала не играет роли. А это уже существенный выигрыш.

Новый метод получения спектров расширяет возможности анализа излучений. В этом случае дифракционные спектры можно получить не только для видимого света, но и для других излучений, в том числе и для ультрафиолетовых.

Поиски решетки для рентгеновских излучений

Однако в работе с дифракционными решетками встретились свои трудности.

Дело в том, что однотипной решетки для всех излучений подобрать нельзя. Для различных излучений нужны различные решетки. Ширина светлых штрихов решетки должна быть сравнима с длиной волны исследуемых излучений. Если она будет, скажем, в сотни и тысячи раз больше или меньше длины исследуемых волн, спектральной полосы на экране не получится. А ведь в видимом свете мы имеем дело с длинами волн в диапазоне 4—8 тысяч ангстрем или четыре — восемь стотысячных долей сантиметра. Такую малую величину невозможно себе и представить.