15
Я. Амстиславский
Необъчные явления вокруг объчных источников света
Наверное, каждому доводилось накладать так называемые венцы — разноцветные колыца, окружающие удаленный источник света, например Солнце, Луну или уличный фонарь. Их возникновение связано с явлением дифракции света — отбания световыми волнами различных препятствий.
О дифракционных венцах написано немало, и это не удивительно. Они очень красивы, получить их довольно несложно и с их помощью можно проводить весма тонкие измерения, причем в условиях скромной домашней лаборатории. Можно ожидать, что и читатель «Кванта» эта тема будет небезынтересной.
Что представляется собой изображение звезды в телефоне?
Представьте себе, что вы смотрите в телефон на звездное небо. Из геометрической оптики известно, что параллельный пучок света, идущий от бесконечного удаленного источника, попаВ в объектив, должен сфокусировать в одном из побочных фокусов объектива, создав там точное изображение источника. Однако в действительности это не так.
Из-за дифракции света на краях оправы объектива изображение звезды получается в виде светлого крыжка, окаймленного цветными колыцами (рис. 1). Оказывается, размер получ-
Чем отличаются множество отверстий от одного и непрозрачный шарик от произного отверстия?
А что, если дифрагму заменить экраном с большим числом отверстий, имеющих строго одинаковые размеры, но распределенных по поверхности экрана совершенноxaотически (рис. 3)?
В этом случае проискодит наслоние огромного числа одинаковых первичных дифракционных картины, и суммарная картина сильно изменяется. Во-первых, она гораздо сильнее освещена в целом. Во-вторых, появляется дифракционный узор в виде слабого заметной лучистой структуры. Наконец, в-третьих, в центре появляется изображение источника света. Такую картину и называют венцом.
Описанный экран для получения венцов изготовить не так-то просто, да в этом и нет необходимости. Оказывется, в дифракционной картине не произойдет заметных изменений, если непрозрачный экран с множеством одинаковых круглых отверстий заменить произрачным экраном, покрытым большим числом одинаковых непрозрачных шарков аналогичных размеров. В качестве подобного экрана с успехом может быть использо-
16
Рис. 4.
вана обыкновенная стеклянная пластинка, запыленная ликоподем — желтым порошком из непрозрачных шарообразных спор плауна (рис. 4; здесь приведена микрофотография дифракционной решетки с периодом 0,02 мм, покрытой ликоподем).
Как изготовить хороший препарат?
Для приготовления препарата вам понадобится две стеклянные пластинки размером в четырьтем tetradного листа и ликоподей. Ликоподей можно купить в аптеке, а в качестве пластинок удобно использовать отмытье от эмульсиного фотопластики размером 9×12 см.
На поверхности чистой пластинки наносят капельку машинного или растительного масла (можно крупиц жира, маргарина, сливочного масла или взелина — что попадет под руку) и размазывают ее тонким слоем. Затем чистой трипочкой аккуратно протирают смазанную поверхность до произвости. Остающияся при этом тончайший слой жира служит клейкой основой для удержания части покрытия. На обработанную поверхность насыпают небольшие коливесто (с наперсток) ликоподия, пластинку наклоняют и, постукивая по краю, добавляются ссылания порошка к ее основанию. На пластинке остается широкий след в виде достаточно плотного и однородного слоя ликоподия. Затем изменяют наклон пластинки и добавляются ссылания порошка в другом направлении. Эту процедуру повторяют до тех пор, пока все листы бумаги, и постукивая нижним краем пластинки по столу, избавляются от излишков ликоподия. Правильно заполненя пластинка не должна быть ни слишком плотной, ни слишком произрачной. По виду она напоминает матовое стекло средней плотности.
Если покупие оказалось неудачным — не беда. Его легкостерить и воспроизвести заповдо. Однако обращаться с ним надо аккуратно.
При желании сохранить препарат для многократного пользования поступают следующим образом. Запыленную пластинкуkladут на стол покрытем вверх, на нее накладывают бумажную рамку шириной 0,5—1 см, вырезанную по размерам пластинки, покрывают второй (чисой) пластинкой тех же размеров и оклевают по краям положами черной бумаги. Полученный прибор можно с успехом использовать в любой момент, когда появится желание пользоваться красной дифракционной картиной или показать ее друзьям.
Дифракционныеvents — картина впечатляющая
Если через запыленную пластинку посмотреть на какой-нибудь яркий источник света не очень больших угловых размеров, то можно наблюдать описанные выше дифракционныеvents (рис. 5). При этом не нужны никакие оптические приборы: роль объекта игарет хрусталик глаз. Дифракционная картина создается на сетчатке глаз, но восприняется нами в той плоскости, в которой виден источник света.
Источником может быть диск Луны на чистом ночном небе, наблюдаемый с улицы или через окно комнаты
17
Дифраクционные венцы, наблюдаемые вокруг различных удаленных источников света.
Рис. 6. Диск Луны и его дифраクционное изображение.
Рис. 7. Венцы вокруг уличного фонаря.
Рис. 8. Лампа накаливания и изображение ее раскаленной спирали.
Рис. 9. Дифраクционное изображение пламени свети.
Рис. 10. Венцы вокруг Солнца.
2 «Квант» № 6
18
при выключенном свете (рис. 6). Или уличный фонарь, удаленный на несколько детяков метров (рис. 7). Или раскаленная спираль лампы накладная, наблюдаемая в комнате с расстояния 2—3 м (рис. 8); лучше, если лампа расположена так, что луч зрения оказывается в плоскости спирали. Или, наконец, лампя свечи (или даже — спички) на расстоянии вытянутой руки в темном помещении (рис. 9; внизу видно отражение пламени от поверхности полированного стола).
Можно любовать и венцам во кругг Солнца. Если светило находится достаточно низко над горизонтом, его рассматривают непосредственно через пластинку (рис. 10, а; восходящее Солнце сфотографировано в проеме между домами). В случае Солнца, высоко поднято над горизонтом, к запыленной пластинке надо добавить засвеченную фотопластинику или закопченное стекло (рис. 10, б).
Все фотографии, приведенные на рисунках 6—10, были сделаны обычным фотоаппаратом через красное стекло, запыленное ликоподем. Гораздо красиве дифракционная картина, наблюдаемая в белом свете. В центре картины находится светый кругг с оранжево-красным окаймленем на перipherии и изображением источника света в средней части. Этот кругг виден под углом около 3°, что почти в шесть раз больше углового диаметра Луны или Солнца (30′). К центральному круггу прилегают два ярких окрашенных дифракционных колца. Пристотревшись, можно видеть лучистую структуру картины; более отчетливо она проявляется при меньших размерах источника света. Любопытно, что, если отвлечься от этой структуры и от наличия изображения источника, наблюдаемая картина очень напоминает дифракционное изображение звезды в телеске, правда восприизведенное с огромным увеличением.
Насладившись красивыми картиками дифракционных венцов, подумайте над природой этого явления. может быть, в этом вам помогут следующее книги:
- М. Минарт. «Свет и цвет в природе». (М., «Нука», 1969, c. 222.)
- Р. В. Поль. «Оптика и atomная физика». (М., «Нука», 1966, c. 149.)
- «Опты в домашней laboratorии». (М., «Нука», серия «Библиотека «Квант», выпуск 4, c. 125.)
Приложение. Чему равна длина световой волны?
В самом начале статьи было сказано, что с помощью дифракционной картины можно проводить весма тонкие изменения. Например — длины волны света. Покажем, как это можно сделать.
Как показывает наблюдения и расчеты, подавляющая часть света, прохождение через отверстие, попадает в область центрального светлого кружка (который обчено и принимает за дифракционное изображение источника). Размеры его связываны с диаметром отверстия d и длиной световой волны λ соответственно.
где φ — угловой радиус первого темного колца, а значит — и центрального светлого кружка. Отсюда, зная d и φ, можно найти λ.
Это же соотношение справедливо и для дифракционной картины, полученной с помощью стеклянной пластинки, запыленной ликоподем. Динамир d частиц<linkedния нетрудно оценить по микрофотографии дифракционной решетки с периодом 0,02 мм. Из рисунка 4 видно, что d≈0,03 мм≈3·10⁻⁵ м.
Для определения угла φ поступим следующим образом. Из черной бумаги изготовим дифрактму с темя сделанным игрой проколами: центральным, диаметром 5—7 мм, и двумя боковыми, расположенными симметрично относительно центраного и удаленных друг от друга на заданное и точное вымеренное расстояние a, например a=3 см.
В качестве источника света восполyzемся карманным фонариком. Прикроем его стекло сделанной дифрактой так, чтобы центральное отверстие оказалось как раз напротив лампочки, и положим на него осокок красного стекла. Глядя на лампочку через запыленную пластинку, удалится от источника на такое расстояние L, при котором первое темное колючий видимой глазом дифрактонной картины будет проходить через боковые проколы в дифрактме. В этом случае
(мы воспользовались тем, что для малых углов синусы углов можно заменять их тангенсами).
Таким образом, длину волны λ можно вычислить по формуле
Можно решить и обратную задачу. Поляга длину волны известной (для красного света λ=0,65 мкм), нетрудно определить дифрактчий ликоподем. Проделяте это самостоятельное.