Fenomena difraksi gelombang merupakan salah satu efek yang memantulkan sifat gelombang cahaya. Itu untuk gelombang cahaya yang ditemukan pada awal abad ke-19. Dalam artikel ini, kita akan melihat apa fenomena ini, bagaimana hal itu dijelaskan secara matematis, dan di mana ia menemukan aplikasi.
Fenomena difraksi gelombang
Seperti yang Anda ketahui, gelombang apa pun, baik cahaya, suara, atau gangguan di permukaan air, dalam medium homogen merambat sepanjang jalur yang lurus.
Mari kita bayangkan sebuah muka gelombang yang memiliki permukaan datar dan bergerak ke arah tertentu. Apa yang akan terjadi jika ada rintangan di jalan depan ini? Apa pun bisa menjadi penghalang (batu, bangunan, celah sempit, dan sebagainya). Ternyata setelah melewati rintangan, muka gelombang tidak lagi datar, tetapi akan mengambil bentuk yang lebih kompleks. Jadi, dalam kasus lubang bundar kecil, muka gelombang yang melewatinya menjadi bulat.
Fenomena berubahnya arah rambat gelombang, ketika menemui hambatan dalam perjalanannya, disebut difraksi (diffractus dari bahasa Latin berarti"rusak").
Hasil dari fenomena ini adalah gelombang menembus ke dalam ruang di belakang penghalang, di mana ia tidak akan pernah menabrak dalam gerakan bujursangkarnya.
Contoh difraksi gelombang di pantai ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Kondisi pengamatan difraksi
Efek pecah gelombang yang dijelaskan di atas ketika melewati rintangan tergantung pada dua faktor:
- panjang gelombang;
- parameter geometris penghalang.
Dalam kondisi apa difraksi gelombang diamati? Untuk pemahaman yang lebih baik tentang jawaban atas pertanyaan ini, perlu dicatat bahwa fenomena yang dipertimbangkan selalu terjadi ketika gelombang bertemu dengan hambatan, tetapi menjadi terlihat hanya jika panjang gelombang adalah urutan parameter geometris hambatan. Karena panjang gelombang cahaya dan suara kecil dibandingkan dengan ukuran benda di sekitar kita, difraksi itu sendiri hanya muncul dalam beberapa kasus khusus.
Mengapa difraksi gelombang terjadi? Hal ini dapat dipahami jika kita mempertimbangkan prinsip Huygens-Fresnel.
Prinsip Huygens
Pada pertengahan abad ke-17, fisikawan Belanda Christian Huygens mengajukan teori baru tentang perambatan gelombang cahaya. Dia percaya bahwa, seperti suara, cahaya bergerak dalam medium khusus - eter. Gelombang cahaya adalah getaran partikel eter.
Mempertimbangkan bagian depan berbentuk gelombang yang dibuat oleh sumber cahaya titik, Huygens sampai pada kesimpulan berikut: dalam proses gerakan, bagian depan melewati serangkaian titik spasial disiaran. Begitu dia mencapai mereka, dia membuatnya ragu-ragu. Titik berosilasi, pada gilirannya, menghasilkan generasi gelombang baru, yang disebut Huygens sekunder. Dari setiap titik gelombang sekunder berbentuk bola, tetapi gelombang itu sendiri tidak menentukan permukaan front baru. Yang terakhir adalah hasil superposisi dari semua gelombang sekunder berbentuk bola.
Efek yang dijelaskan di atas disebut prinsip Huygens. Dia tidak menjelaskan difraksi gelombang (ketika ilmuwan merumuskannya, mereka belum tahu tentang difraksi cahaya), tetapi dia berhasil menjelaskan efek seperti pemantulan dan pembiasan cahaya.
Seiring kemenangan teori sel darah Newton tentang cahaya pada abad ke-17, karya Huygens dilupakan selama 150 tahun.
Thomas Jung, Augustin Fresnel dan kebangkitan prinsip Huygens
Fenomena difraksi dan interferensi cahaya ditemukan pada tahun 1801 oleh Thomas Young. Melakukan eksperimen dengan dua celah yang dilewati oleh cahaya monokromatik, ilmuwan menerima gambar garis-garis gelap dan terang di layar. Jung sepenuhnya menjelaskan hasil eksperimennya, mengacu pada sifat gelombang cahaya, dan dengan demikian membenarkan perhitungan teoritis Maxwell.
Segera setelah teori sel cahaya Newton dibantah oleh eksperimen Young, ilmuwan Prancis Augustin Fresnel mengingat karya Huygens dan menggunakan prinsipnya untuk menjelaskan fenomena difraksi.
Fresnel percaya bahwa jika gelombang elektromagnetik, yang merambat dalam garis lurus, menemui hambatan, maka sebagian energinya akan hilang. Sisanya dihabiskan untuk pembentukan gelombang sekunder. Yang terakhir menyebabkan munculnya muka gelombang baru, yang arah rambatnya berbeda dari yang asli.
Efek yang dijelaskan, yang tidak memperhitungkan eter saat menghasilkan gelombang sekunder, disebut prinsip Huygens-Fresnel. Dia berhasil menggambarkan difraksi gelombang. Selain itu, prinsip ini saat ini digunakan untuk menentukan kehilangan energi selama perambatan gelombang elektromagnetik, di mana hambatan ditemui.
Difraksi celah sempit
Teori membangun pola difraksi cukup kompleks dari sudut pandang matematika, karena melibatkan solusi persamaan Maxwell untuk gelombang elektromagnetik. Namun demikian, prinsip Huygens-Fresnel, serta sejumlah aproksimasi lainnya, memungkinkan untuk memperoleh rumus matematika yang sesuai untuk aplikasi praktisnya.
Jika kita mempertimbangkan difraksi pada celah tipis, di mana muka gelombang bidang jatuh sejajar, maka garis-garis terang dan gelap akan muncul pada layar yang terletak jauh dari celah. Minimum dari pola difraksi dalam hal ini dijelaskan dengan rumus berikut:
ym=mλL/a, di mana m=±1, 2, 3, …
Di sini ym adalah jarak dari proyeksi celah ke layar hingga orde minimum m, adalah panjang gelombang cahaya, L adalah jarak ke layar, a adalah lebar celah.
Berdasarkan ekspresi bahwa pusat maksimum akan lebih kabur jika lebar celah diperkecil danmemperbesar panjang gelombang cahaya. Gambar di bawah menunjukkan seperti apa pola difraksi yang sesuai.
Kisi difraksi
Jika satu set celah dari contoh di atas diterapkan pada satu pelat, maka yang disebut kisi difraksi akan diperoleh. Menggunakan prinsip Huygens-Fresnel, seseorang dapat memperoleh rumus untuk maxima (pita terang) yang diperoleh ketika cahaya melewati kisi. Rumusnya terlihat seperti ini:
sin(θ)=mλ/d, dimana m=0, ±1, 2, 3, …
Di sini, parameter d adalah jarak antara slot terdekat pada kisi. Semakin kecil jarak ini, semakin besar jarak antara pita terang dalam pola difraksi.
Karena sudut untuk orde maksima ke-m bergantung pada panjang gelombang, ketika cahaya putih melewati kisi difraksi, garis-garis multi-warna muncul di layar. Efek ini digunakan dalam pembuatan spektroskop yang mampu menganalisis karakteristik emisi atau penyerapan cahaya oleh sumber tertentu, seperti bintang dan galaksi.
Pentingnya Difraksi dalam Instrumen Optik
Salah satu karakteristik utama instrumen seperti teleskop atau mikroskop adalah resolusinya. Ini dipahami sebagai sudut minimum, ketika diamati di mana objek individu masih dapat dibedakan. Sudut ini ditentukan dari analisis difraksi gelombang menurut kriteria Rayleigh dengan menggunakan rumus berikut:
sin(θc)=1, 22λ/D.
Di mana D adalah diameter lensa perangkat.
Jika kita menerapkan kriteria ini pada teleskop Hubble, kita mendapatkan bahwa perangkat pada jarak 1000 tahun cahaya mampu membedakan antara dua objek, yang jaraknya mirip dengan jarak antara Matahari dan Uranus.
