أنواع حيود الضوء

أنواع حيود الضوء

التداخل والحيود لهما فرق، ويمكن تقسيم حيود الضوء إلى نوعين

حيود فراونهوفر

• المصدر والشاشة بعيدان عن بعضهما البعض.
• تكون واجهات الموجة الحادة على عقبة الانعراج مستوية.
• تُسبب عقبة الانعراج في ظهور جبهات موجية مستوية أيضًا.
• تستخدم عدسة محدبة لتجميع واجهات موجة انحراف المستوى لإنتاج نمط حيود.

حيود فرينل

• المصدر والشاشة ليسا بعيدين عن بعضهما البعض.
• الجبهات الموجية للحادث كروية.
• الواجهات التي تترك العوائق وراءها هي أيضًا كروية.
• لا يلزم استخدام عدسة محدبة لتصحيح الجبهات الموجية الكروية.

تجربة حيود الضوء

• وفقا للبحث حول التداخل والتشتت، ينبغي توجيه الضوء نحو سطح ثابت بعيد عنك بمسافة لا تقل عن طول ذراع واحدة على الأقل.
• ارفع القلمين الرصاص جنبًا إلى جنب مع وجود الممحاة في الأعلى. يجب أن يُبقي الشريط الملفوف حول قلم رصاص أقلام الرصاص متباعدة قليلاً ، مما يشكل شقًا رفيعًا بينهما ، أسفل الشريط مباشرةً. أمسك كلا القلمين بالقرب من عين واحدة (حوالي 1 بوصة [2.5 سم]) وانظر إلى مصدر الضوء من خلال الشق بين الأقلام الرصاص. اضغط على الأقلام معًا ، مما يجعل الشق أصغر.
• لاحظ وجود خط ضوء متعامد على الشق. عند النظر من خلال الشق، قم بتدوير أقلام الرصاص حتى تصبح أفقية، وستلاحظ بأن الخط الضوئي يصبح عموديًا.
• في حال التدقيق، يمكن رؤية أن الخط يتكون من نقاط صغيرة من الضوء. وأثناء الضغط على النقاط معًا، تكبر فقاعات الضوء وتنتشر بعيدًا عن مصدر الضوء المركزي، مما يجعلها أسهل في الرؤية. ولاحظ أن النقاط لها حواف زرقاء وحمراء، ويكون الحافة الزرقاء أقرب إلى مصدر الضوء.
• ثبّت شعرك بإحكام عند مسافة 2.5 سم من عينك، ثم حرّك الشعر حتى يصل بين عينيك ومصدر الضوء. ولاحظ كيف ينتشر الضوء في خط من النقاط على الشعر بالطريقة نفسها التي كان عليها عندما كان مشقوقًا. ثم قم بتدوير الشعر وراقب كيف يدور الخط المكون من النقاط.
• قم بتجربة النظر إلى الضوء من خلال قطعة قماش أو ريشة أو محزوز حيود أو قطعة من حاجز معدني. قم بتدوير كل جسم أثناء النظر من خلاله.

استعمالات حيود الضوء

• محزوزات الحيود: تم استغلال ظاهرة حيود الضوء بذكاء لإنتاج واحدة من أهم أدوات العلم، وهي محزوز الحيود. حيث تم حفر عدد كبير من الشقوق أو الأخاديد الرفيعة – تصل إلى 25000 لكل بوصة – في المادة بدلا من فتحة واحدة فقط. ولصنع هذه الأجهزة الحساسة، يجب أن تكون الأخاديد متوازية ومتباعدة بشكل متساو ولها نفس العرض. يحول محزوز الحيود الشعاع الضوئي المتساقط إلى أطياف، ويحدث ذلك لأن كل أخدود في الشبكة يحيد الحزمة، ولكن بسبب توازي الأخاديد وتباعدها بشكل متساو وعرضها المتساوي، فإن الموجات المنعكسة تتداخل بشكل منتظم ويمكن عرض المكونات المختلفة بشكل منفصل. وتعتبر الأطياف الناتجة عن حزوز الحيود مفيدة جدا في التطبيقات من دراسة بنية الذرات والجزيئات إلى فحص تكوين النجوم.
• حيود الأشعة السينية: تتألف الأشعة السينية من موجات ضوئية ذات أطوال موجية قصيرة جدا. عند تشعيع مادة بلورية صلبة، يتم انحرافها بواسطة ذرات البلورة. ولكن بسبب توزيع الذرات بشكل متساو في البلورات، فمن الممكن استخدام أنماط الحيود الناتجة لتحديد المواقع والمسافات بين الذرات. بلورات بسيطة، تتألف من مستويات متساوية من الذرات، تحيد الأشعة السينية وفقا لقانون براج. تستخدم الأبحاث الحالية أداة تسمى مقياس الحيود، التي تستخدم حيود الأشعة السينية، لإنتاج أنماط الحيود التي يمكن مقارنتها بتلك الموجودة في البلورات المعروفة، لتحديد بنية المواد الجديدة.
• التصوير المجسم: عندما يتداخل شعاع ليزر بزاوية على سطح لوحة فوتوغرافية أو مادة تسجيل أخرى، ينتج نمطا تداخليا من خطوط داكنة ومشرقة متبادلة. ونظرا لأن الخطوط متوازية تماما ومتباعدة بشكل متساو ومتساوية العرض، يتم استخدام هذه العملية لتصنيع حواجز شبكية ثلاثية الأبعاد عالية الجودة. وفي الواقع، يمكن اعتبار أي صورة ثلاثية الأبعاد (هولوغرام: جرام – رسالة) بمثابة محزوز حيود معقد. ويتضمن تسجيل الهولوغرام خلط شعاع الليزر ونمط الحيود غير المركز لبعض الأشياء. ولإعادة بناء صورة الكائن (التصوير المجسم)، يتم انحراف الحزمة المضيئة بواسطة الأسطح المستوية داخل الهولوغرام، وفقا لقانون براغ، مما يسمح بعرض الصورة بكل تفاصيلها الثلاثية الأبعاد للمراقب .

تطبيقات على حيود الضوء

• الانعراج هو انحراف الموجة مثل الضوء أو الصوت عن المسار المستقيم عندما تصادف عائقا أو تعبر من خلال فتحة. تعتمد أهمية الانعراج في أي موقف معين على الحجم النسبي للعائق أو الفتحة وطول الموجة التي تصطدم بها. يعتبر جهاز محزوز الحيود أداة هامة تستخدم حيود الضوء لإنتاج الأطياف. يستخدم الانعراج أيضا في تطبيقات أخرى مثل دراسة حيود الأشعة السينية للبلورات والتصوير المجس.
• تخضع جميع الموجات للانحراف عندما تواجه عقبة في طريقها. تأمل في ظل سارية العلم التي ألقتها الشمس على الأرض. من مسافة بعيدة ، تعطي المنطقة المظلمة للظل انطباعًا بأن الضوء الذي ينتقل في خط مستقيم من الشمس قد تم حجبه بواسطة القطب. لكن المراقبة الدقيقة لحافة الظل ستكشف أن التغيير من الظلام إلى النور ليس مفاجئًا. بدلاً من ذلك ، هناك منطقة رمادية على طول الحافة تم إنشاؤها بواسطة الضوء “المنحني” أو المنعرج على جانب القطب.
• عند إرسال مصدر للموجات، مثل مصباح كهربائي، شعاع عبر فتحة أو ثقب، سيظهر نمط حيود على شاشة وضعت خلف الفتحة. سيبدو نمط الانعكاس مماثلًا للفتحة (مستطيل، دائرة، مربع) ولكنه سيكون محاطًا ببعض الموجات التي تخرج عن المسار وتعطيه مظهرًا “غير واضح.
• إذا كان المصدر والشاشة بعيدين عن الفتحة، يمكن تحديد مقدار التشويش بناء على طول الموجة وحجم الفتحة. وعندما تكون الفتحة كبيرة، يمر معظم الشعاع مباشرة من خلالها مما يقلل من الضبابية، وتكون حواف الفتحة هي التي تسبب الانحراف. ولكن إذا كان حجم الفتحة مشابها لطول الموجة، فإن الانحراف سيزداد، ويمكن لفتحة كبيرة أن تسبب انحراف الموجات الصوتية من خلال زوايا كبيرة، مثل النوافذ المفتوحة.
• يشير حيود فرينل إلى الحالة التي يكون فيها المصدر أو الشاشة قريبين من الفتحة. عندما يكون كل من المصدر والشاشة بعيدين عن الفتحة، يطلق عليه مصطلح حيود فراونهوفر. وكمثال على ذلك، دعنا نفكر في كيفية دخول ضوء النجوم إلى التلسكوب. يعرف نمط الانكسار الخاص بمرآة التلسكوب الدائرية أو العدسة بالقرص الهوائي، والذي يعتبر قرصا مركزيا مشرقا في منتصف عدد من الحلقات الباهتة. هذا يشير إلى أن صورة النجم ستكبر دائما بسبب الانكسار. وعندما لا توجد عيوب في الأدوات البصرية مثل التلسكوبات، يقال إن أقصى التفاصيل التي يمكن ملاحظتها محدودة بالانكسار.

لماذا يتم استخدام ضوء أحادي اللون في تجارب التداخل

• يتميز الضوء أحادي اللون بطول موجي واحد أو عرض نطاق ضيق للغاية، مما يجعل نطاقات التداخل محددة للغاية، وهذا يتطلب للحصول على نتيجة جيدة من شقين.
• نظرًا لأنه من المعتاد استخدام الليزر لمثل هذه التجارب ، سيكون الضوء أيضًا متماسكًا. أي أن جميع الفوتونات الموجودة في الضوء في طور عبر الحزمة وتتغير المرحلة بسلاسة على طول الحزمة. هذا يعني أن نمط التداخل مستقر ، ولا يتحرك حيث تتداخل فوتونات الطور المختلفة. مرة أخرى ، هذا ضروري جدًا للحصول على نتيجة جيدة من شقين.