83. Разглядывая сквозь щель

А В этой задаче вам предстоит объяснить результаты эксперимента, который вы сами же должны проделать. На рис. 115 показана решетка из вертикальных и горизонтальных линий.

Рис. 115

Возьмите кусок картона, проведите по нему лезвием бритвы и посмотрите на рисунок одним глазом через образовавшуюся в картоне тонкую щель. Щель держите рядом с глазом и направьте ее горизонтально. Расстояние от глаза до рисунка должно быть 30-40 см. Вы обнаружите, что в решетке сохранились только вертикальные линии, а горизонтальные исчезли. Куда они девались?

Б У вас не получился эксперимент? Вы видите всю решетку? М Или, наоборот, ничего не видите? В первом случае у вас слишком широкая щель, во втором - слишком узкая. Надо немного повозиться: попробуйте слегка сгибать картон, чтобы ширина щели менялась (оптимум-порядка 1-10 мкм). Опыт лучше удается, если решетка сильно освещена, а обращенная к глазу сторона картона не освещена совсем.

Ну, вот, наконец, у вас получилось. Не правда ли, несколько странное зрелище? А теперь поверните щель на 90° и вы увидите, что исчезли вертикальные линии решетки и появились горизонтальные. Для того чтобы разобраться в увиденном, советуем посмотреть еще на кольцо (рис. 116, а).

Рис. 116

При вертикальной щели вы увидите размытыми левую и правую стороны кольца, при горизонтальной - верхнюю и нижнюю (рис. 116, б и в). Повторите опыт при разных наклонах щели. Оказывается, что всегда размываются те участки кольца, которые идут вдоль щели, и сохраняются идущие поперек.

Если, однако, у вас все наоборот (сохранились линии, параллельные щели, и исчезли перпендикулярные), то это значит, что вы не соблюли условий (у вас слишком широкая щель, и вы слишком приблизились к решетке) и попали в задачу 84.

В Объяснение этого явления следует искать в дифракции света. Известно, что свет, проходя рядом с препятствием, искривляет свой путь, огибая препятствие и заходя туда, где по законам прямолинейного распространения должна быть тень. Параллельный пучок лучей, падающий на экран с маленьким отверстием (рис. 117, а), после прохождения сквозь отверстие оказывается Расходящимся. Чем меньше отверстие, тем сильнее расхождение лучей.

Рис. 117

Для очень малого отверстия (порядка длины волны света, т. е. микрометр и менее) картина лучей оказывается такой, как будто отверстие является точечным излучателем.

При прохождении сквозь большое отверстие основная часть лучей проходит практически без искривления пути. И только те лучи, которые проходят сквозь отверстие рядом с его краями, искривляют свой путь (рис. 117, б). Прорезанная бритвой щель является отверстием, размеры которого очень малы в одном измерении и очень велики в другом. Поэтому световой пучок, проходящий сквозь щель, претерпевает сильную дифракцию в плоскости, перпендикулярной к щели, почти не подвергаясь дифракции во второй плоскости. Представление о поведении лучей после щели дает рис. 117, в.

Пусть щель параллельна горизонтальным линиям решетки. Тогда лучи, проходящие от решетки сквозь щель к глазу, рассыпаются веером в вертикальной плоскости, отчего каждая точка размывается по вертикали, а горизонтальная черная линия становится очень широкой (рис. 118, а). Поскольку размываются не только горизонтальные черные линии, но и белые просветы между ними, то горизонтальные линии оказываются широкими бледно-серыми полосами, едва заметными для глаза.

Рис. 118

С вертикальной черной линией дело обстоит несколько иначе. Все ее точки, конечно, также размываются в вертикальном направлении и не размываются в горизонтальном. Но при этом их размытые изображения накладываются друг на друга вдоль самой вертикальной линии. В изображение вертикальной линии не замешивается свет от размытия белых точек (так как белые точки тоже размываются только по вертикали). Поэтому вертикальная линия остается черной и хорошо видна на сером фоне.

Если щель повернуть на 90°, то направление размытия тоже повернется. Теперь каждая точка (и белая, и черная) будет размываться в горизонтальном направлении (рис. 118, б), и от их смешения вертикальные черные линии станут широкими и бледными. Горизонтальные же линии, которые размываются каждая вдоль самой себя, останутся четкими.