Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
15
Vâng. Amstislavsky
Hiện tượng bất thường xung quanh nguồn sáng thông thường
Có lẽ mọi người đều đã có cơ hội áp dụng cái gọi là vương miện - những vòng nhiều màu bao quanh một nguồn ánh sáng ở xa, chẳng hạn như Mặt trời, Mặt trăng hoặc đèn đường. Sự xuất hiện của chúng có liên quan đến hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng - sự hấp thụ các chướng ngại vật khác nhau bởi sóng ánh sáng.
Đã có rất nhiều bài viết về vòng nhiễu xạ và điều này không có gì đáng ngạc nhiên. Chúng rất đẹp, khá dễ kiếm và với sự giúp đỡ của chúng, bạn có thể thực hiện các phép đo rất tinh tế trong một phòng thí nghiệm khiêm tốn tại nhà. Có thể mong đợi rằng người đọc «Kvant» cũng sẽ thấy chủ đề này quan tâm.
Hình ảnh ngôi sao trên điện thoại của bạn trông như thế nào?
Hãy tưởng tượng bạn đang nhìn qua điện thoại của mình trên bầu trời đầy sao. Từ quang học hình học, người ta đã biết rằng một chùm ánh sáng song song đến từ một nguồn ở xa vô tận, chiếu vào thấu kính, phải hội tụ vào một trong các tiêu điểm bên của thấu kính, tạo ra hình ảnh chính xác của nguồn ở đó. Tuy nhiên, thực tế không phải vậy.
Do sự nhiễu xạ ánh sáng ở các cạnh của khung thấu kính, hình ảnh của ngôi sao thu được ở dạng nắp đèn được bao quanh bởi các vòng màu (Hình 1). Hóa ra kích thước là
Sự khác biệt giữa nhiều lỗ và một lỗ và một quả bóng mờ so với một lỗ thông thường là gì?
Điều gì sẽ xảy ra nếu màng ngăn được thay thế bằng một màn hình có số lượng lỗ lớn, có kích thước hoàn toàn giống hệt nhau nhưng phân bố hoàn toàn ngẫu nhiên trên bề mặt màn hình (Hình 3)?
Trong trường hợp này, một số lượng lớn các mẫu nhiễu xạ sơ cấp giống hệt nhau sẽ được xếp lớp và tổng số mẫu sẽ thay đổi rất nhiều. Thứ nhất, về tổng thể nó được chiếu sáng nhiều hơn. Thứ hai, mô hình nhiễu xạ xuất hiện dưới dạng cấu trúc bức xạ mờ nhạt. Cuối cùng, thứ ba, hình ảnh nguồn sáng xuất hiện ở trung tâm. Bức tranh này được gọi là vương miện.
Màn hình được mô tả để lấy mão răng không dễ thực hiện và không cần thiết. Hóa ra là sẽ không có sự thay đổi đáng chú ý nào xảy ra trong hình ảnh nhiễu xạ nếu một màn mờ đục có nhiều lỗ tròn giống nhau được thay thế bằng một màn trong suốt phủ một số lượng lớn các quả cầu mờ đục giống hệt nhau có kích thước tương tự nhau. Là một màn hình như vậy, nó có thể được sử dụng thành công
16
Hình 4.
Có một tấm kính thông thường được phủ một lớp lycopodem, một loại bột màu vàng từ bào tử rêu hình cầu mờ đục (Hình 4; đây là ảnh vi mô của cách tử nhiễu xạ với chu kỳ 0,02 mm, được phủ bằng lycopodem).
Làm thế nào để làm ra một loại thuốc tốt?
Để chuẩn bị thuốc, bạn sẽ cần hai tấm kính có kích thước bằng bốn tấm tetrad và lycopodium. Lycopodium có thể mua ở hiệu thuốc và sử dụng nhựa ảnh nhũ hóa có kích thước 9x12 cm làm tấm rất tiện lợi.
Thoa một giọt dầu máy hoặc dầu thực vật lên bề mặt đĩa sạch (bạn có thể sử dụng các loại hạt mỡ, bơ thực vật, bơ hoặc bột báng - bất cứ thứ gì có sẵn) và phết một lớp mỏng. Sau đó, dùng vải sạch lau nhẹ bề mặt đã bôi trơn cho đến khi sạch hoàn toàn. Lớp mỡ mỏng còn lại đóng vai trò là chất kết dính để giữ một phần lớp phủ. Một lượng nhỏ lycopodium (có kích thước bằng một cái ống lót) được đổ lên bề mặt đã được xử lý, nghiêng tấm và gõ dọc theo mép, bột được thêm vào đế của nó. Một dấu vết rộng vẫn còn trên đĩa dưới dạng một lớp lycopodium khá dày đặc và đồng nhất. Sau đó, độ nghiêng của tấm được thay đổi và bột tham chiếu được thêm vào theo một hướng khác. Quy trình này được lặp lại cho đến khi tất cả các tờ giấy được lấy ra và lycopodium dư thừa được loại bỏ bằng cách chạm vào mép dưới của tấm trên bàn. Đĩa được đổ đầy đúng cách không được quá đặc cũng như không quá trong suốt. Về hình thức, nó giống như kính mờ có mật độ trung bình.
Nếu việc mua hàng không thành công, điều đó không thành vấn đề. Nó rất dễ dàng để khử trùng và sinh sản trở lại. Tuy nhiên, nó phải được xử lý cẩn thận.
Nếu bạn muốn lưu thuốc để sử dụng nhiều lần, hãy tiến hành như sau. Đĩa đựng bụi được đặt trên bàn với nắp hướng lên trên, khung giấy rộng 0,5-1 cm, cắt theo kích thước của đĩa, đặt lên trên, phủ một đĩa thứ hai (sạch) có cùng kích thước và dùng giấy đen mổ vào các cạnh. Thiết bị thu được có thể được sử dụng thành công bất cứ lúc nào khi có nhu cầu sử dụng mẫu nhiễu xạ màu đỏ hoặc cho bạn bè xem.
Nhiễu xạ - một bức tranh ấn tượng
Nếu bạn nhìn qua một tấm bụi ở một nguồn sáng chói nào đó có kích thước góc không lớn lắm, bạn có thể quan sát thấy các lỗ nhiễu xạ được mô tả ở trên (Hình 5). Trong trường hợp này, không cần dụng cụ quang học: thấu kính của mắt đóng vai trò của vật thể. Mẫu nhiễu xạ được tạo ra trên võng mạc của mắt, nhưng được chúng ta cảm nhận được trong mặt phẳng mà nguồn sáng có thể nhìn thấy được.
Nguồn có thể là đĩa Mặt trăng trên bầu trời đêm quang đãng, được quan sát từ đường phố hoặc qua cửa sổ phòng
17
Các vòng nhiễu xạ được quan sát xung quanh các nguồn sáng ở xa khác nhau.
Hình 6. Đĩa Mặt Trăng và ảnh nhiễu xạ của nó.
Hình 7. Vương miện quanh đèn đường.
Hình 8. Một ngọn đèn sợi đốt và hình ảnh cuộn dây nóng đỏ của nó.
Hình 9. Ảnh nhiễu xạ của ngọn lửa nhẹ.
Hình 10. Vương miện quanh Mặt trời.
2 «Kvant» № 6
18
khi đèn tắt (Hình 6). Hoặc một ngọn đèn đường cách đó vài mét (Hình 7). Hoặc hình xoắn ốc nóng đỏ của đèn trên cao, được quan sát trong phòng từ khoảng cách 2-3 m (Hình 8); Sẽ tốt hơn nếu đèn được đặt sao cho đường ngắm nằm trong mặt phẳng xoắn ốc. Hoặc cuối cùng, thắp một ngọn nến (hoặc thậm chí là một que diêm) ở khoảng cách sải tay trong phòng tối (Hình 9; bên dưới, bạn có thể thấy sự phản chiếu của ngọn lửa từ bề mặt của một chiếc bàn bóng loáng).
Bạn cũng có thể chiêm ngưỡng những vương miện xung quanh Mặt trời. Nếu ngôi sao đủ thấp phía trên đường chân trời, nó sẽ được nhìn trực tiếp qua tấm phim (Hình 10, a; Mặt trời mọc được chụp ở khe hở giữa các ngôi nhà). Trong trường hợp Mặt trời ở trên cao phía trên đường chân trời, phải thêm một tấm ảnh được chiếu sáng hoặc kính mờ vào tấm bụi (Hình 10, b).
Tất cả các bức ảnh trong Hình 6-10 đều được chụp bằng máy ảnh thông thường qua tấm kính màu đỏ phủ đầy lycopodem. Họa tiết nhiễu xạ quan sát được trong ánh sáng trắng đẹp hơn nhiều. Ở giữa bức tranh có một vòng tròn ánh sáng với viền màu đỏ cam ở ngoại vi và hình ảnh một nguồn sáng ở phần giữa. Vòng tròn này có thể nhìn thấy được ở một góc khoảng 3°, gần gấp sáu lần đường kính góc của Mặt trăng hoặc Mặt trời (30′). Liền kề với vòng tròn trung tâm là hai vòng nhiễu xạ có màu sắc rực rỡ. Nếu nhìn kỹ, bạn có thể thấy cấu trúc rạng rỡ của bức tranh; nó xuất hiện rõ ràng hơn với kích thước nguồn sáng nhỏ hơn. Điều tò mò là, nếu chúng ta bỏ qua cấu trúc này và sự hiện diện của hình ảnh của nguồn, thì mẫu quan sát được rất gợi nhớ đến hình ảnh nhiễu xạ của một ngôi sao trong kính thiên văn, mặc dù được tái tạo với độ phóng đại cực lớn.
Sau khi thưởng thức những bức ảnh tuyệt đẹp về vòng nhiễu xạ, hãy nghĩ về bản chất của hiện tượng này. Có thể những cuốn sách sau đây sẽ giúp bạn điều này:
- M. Minart. “Ánh sáng và màu sắc trong tự nhiên.” (M., “Nuka”, 1969, trang 222.)
- R.V. Paul. “Quang học và vật lý nguyên tử”. (M., “Nuka”, 1966, trang 149.)
- “Bán buôn trong phòng thí nghiệm tại nhà.” (M., “Nuka”, bộ “Thư viện «Kvant»”, số 4, trang 125.)
Ứng dụng. Bước sóng của ánh sáng là gì?
Ngay từ đầu bài viết đã nói rằng có thể thực hiện những thay đổi rất tinh tế bằng cách sử dụng mẫu nhiễu xạ. Ví dụ, bước sóng của ánh sáng. Hãy cho thấy điều này có thể được thực hiện như thế nào.
Như các quan sát và tính toán cho thấy, phần lớn ánh sáng đi qua lỗ rơi vào vùng của vòng tròn ánh sáng trung tâm (được coi là ảnh nhiễu xạ của nguồn). Kích thước của nó lần lượt liên quan đến đường kính lỗ d và bước sóng ánh sáng λ.
trong đó φ là bán kính góc của vòng tối thứ nhất, và do đó là vòng tròn ánh sáng ở giữa. Từ đây, biết d và φ, bạn có thể tìm được λ.
Mối quan hệ tương tự cũng đúng với mẫu nhiễu xạ thu được khi sử dụng một tấm kính phủ lycopodem. Động lực d của các hạt<liên kết có thể được ước tính dễ dàng từ ảnh vi mô của cách tử nhiễu xạ với chu kỳ 0,02 mm. Từ Hình 4, rõ ràng là d≈0,03 mm≈3·10⁻⁵ m.
Để xác định góc φ, chúng ta tiến hành như sau. Từ giấy đen, chúng ta sẽ tạo ra nhiễu xạ với vương miện được tạo bằng cách chơi với các lỗ thủng: một cái ở giữa, có đường kính 5-7 mm và hai cái bên, nằm đối xứng với cái ở giữa và cách nhau một khoảng cách nhất định và đo chính xác a, ví dụ a = 3 cm.
Hãy sử dụng đèn pin làm nguồn sáng. Hãy che tấm kính của nó bằng vật nhiễu xạ mà chúng ta đã tạo sao cho lỗ trung tâm nằm đối diện hoàn toàn với bóng đèn và đặt một tấm kính màu đỏ lên trên đó. Nhìn bóng đèn qua một tấm bụi, nó sẽ di chuyển ra xa nguồn đến một khoảng L sao cho vân nhiễu xạ có gai nhọn tối đầu tiên mà mắt có thể nhìn thấy sẽ đi qua các lỗ thủng bên trong vân nhiễu xạ. Trong trường hợp này
(chúng ta đã lợi dụng thực tế là đối với các góc nhỏ, sin của các góc có thể được thay thế bằng tiếp tuyến của chúng).
Do đó, bước sóng λ có thể được tính bằng công thức
Nghịch đảo bài toán cũng có thể được giải. Nếu biết bước sóng (đối với ánh sáng đỏ λ = 0,65 μm) thì không khó để xác định lycopodem nhiễu xạ. Hãy tự làm điều đó.