Fényelhajlás résen és rácson

Lássuk, hogyan lehet előállítani kísérleti úton a fényelhajlást. Ehhez végezzünk el egy egyszerű kísérletet. Egy fényforrással egy R1 rést helyezünk, majd a résen áthaladó fényt egy R2 résen figyeljük meg; az R2 rést helyezzük közvetlenül e szemünk elé. A rések kb 0.5 mm szélesek legyenek, a két rés közötti távolság 1-3 m legyen. Ha mindent jól csináltunk, akkor az R2-keresztül megfigyelt R1 rés helyett egy fura, csíkozott mintázatot látunk, valahogy így:

Amennyiben a fényforrás fehér színű, úgy a szélső csíkok színesek lesznek, és ezek a színes csíkok a prizmával előállított színképeire emlékeztetnek. Használhatunk a rések helyett hasonló vagy még kisebb méretű környílásokat, ám ekkor ajánlatos nagyon erős fényforrást használni.

Mi az oka ennek a jelenségnek? Nos, e kísérlet a fény hullám voltának igen erőteljes bizonyítéka, ugyanis a jelenséget a fényhullámok diffrakciója (hullámelhajlás) okozza. A hullámok egy keskeny résen áthaladva a diffrakció miatt átjutnak az árnyékzónába, emiatt a rés képe mellett több halvány csíkot láthatunk. Amennyiben megtehetjük, helyettesítsük az R2 rést egy diffrakciós ráccsal, és használjunk fehér folytonos fényt! (erre egy hagyományos, tehát nem energiatakarékos izzó megfelel)

Mi is az a diffrakciós rács? Sok, egymás melletti keskeny rés. A gyakorlatbam akár 10 000 réses rács is előfordul, milliméterenként 1200-1400 réssel! Az ilyen réseket úgy készítik, hogy a sima üvegfelületre igen vékony, párhuzamos csíkokat karcolnak.

Amennyiben nincs ilyen rácsunk, egy törött CD-ROM darab vagy egy galambtoll is megfelel. A CD darabkáról az R1 résből kilépő fénynyaláb tükörképét vizsgáljuk!

Amit tapasztalunk, azt az alábbi applettel illusztrálhatjuk is:

A rés szélességét állítsuk minimálisra! Ahogy a rés szélességét módosítjuk, a kivetített képen azt láthatjuk, amit szabad szemmel az R2 résen keresztül. Ezután a rések számát állítsuk egyre nagyobbra! Láthatjuk, amint a rés központi képének két oldalán fokozatosan megjelenik a folytonos színkép. Növeljük a fényerőt, ha túl halvány a színkép! Az rések szélességét kissé növelve azt tapasztaljuk, hogy az erősebb fényű színkép mellett, a középponttól távolabb további, halványabb színképek is keletkeznek, amelyek jóval szélesebbek, mint az első színkép. Az első színképet elsőrendűnek, a második, halványabb színképet másodrendű színképnek nevezzük, stb.

A színkép rendjének növekedésével nő a színkép hossza, így a k-adrendű színkép k-szor hosszabb, mint az elsőrendű, így tehát nagyobb lesz a felbontása. Ugyanakkor a magasabb rendű színképek halványabbak, és olyannyaira kiszélesedhetnek, hogy egymásratevődnek, átfedik egymást. Ezt a jelenséget színképelemzésre is használják.