Difrakcija
Difrakcija predstavlja pojavu prividnog skretanja talasa sa prvobitnog pravca prostiranja pri njegovom nailasku na ivice otvora ili na prepreku i tada se formiraju novi pravci prostiranja. Kada talas skreće sa pravca prostiranja i ulazi u oblast zaklonjenu preprekom u koji bez pojave skretanja zrak ne može da stigne, kaže se da talas zalazi u oblast geometrijske senke. Ako, naime, talasi naiđu na neku prepreku kojoj su dimenzije približne dužini talasa, zbog difrakcije će, u seni koju čini zapreka, nastati interferencija talasa koji dolaze s jednog i drugoga ruba prepreke. Difrakcija se zapaža u seni svih vrsta talasa, na primer mehaničkih talasa (talasi na površini vode, zvučni talasi), elektromagnetski talasi i talasi materije. Uočavanje difrakcije svetlosnih talasa prva je eksperimentalna potvrda talasne prirode svetlosti. Difrakciju je prvi uočio italijanski astronom Frančesko Marija Grimaldi (1618. – 1663),[1] a teoriju je utemeljio Ogisten Žan Frenel.[2]
Ako se na put svetlosnih zraka, koji izlaze iz nekog tačkastog svetlosnog izvora, stavi na dovoljnoj udaljenosti tanka žica, ili ako se svetlost propusti kroz usku pukotinu, na zastoru neće nastati oštra granica između osvetljenog dela zastora i sene, nego se na rubu sene zapažaju tamne i svetle pruge. Te pruge nastaju interferencijom svetlosnih zraka koji zbog difrakcije dolaze s jedne i druge strane zapreke. Difrakcija svetlosti na sitnim česticama koje su raspršene u nekom prozirnom sredstvu, na primer na česticama sitne prašine u vazduju, čini da se te čestice zapažaju kao svetle tačkice ako se posmatraju sa strane od upadne svetlosti. Difrakcija svetlosti na kapljicama vode, odnosno na sitnim kristalićima leda u atmosferi daje venac, odnosno krug oko Sunca i Meseca (halo). Zbog difrakcije postoji ograničenje u moći razlučivanja optičkih instrumenata. U optičkom instrumentu od tačkastog izvora svetlosti ne nastaje tačkasta slika, nego svetao kružić, oko kojeg se nalaze svetli i tamni kolobari nastali difrakcijom na ulaznom otvoru instrumenata. Ako su dve tačke predmeta, koji se posmatra optičkim instrumentom, previše blizu jedna drugoj, zbog nastale slike svetlih kružića ne može se uočiti da li radi o jednoj ili o dvema tačkama predmeta, to jest postoji ograničenje u razlučivanju detalja. Primene difrakcije svetlosti su različite, a najznačajnija je primena kod optičke rešetke za dobivanje spektara. Difrakcija rendgenskih zraka na kristalu pokazuje da je rendgensko zračenje talasne naravi, a pomoću difrakcije rendgenskog zračenja na različitim kristalima (Laueov difraktogram) može se odrediti smeštaj atoma, odnosno jona u kristalu. Difrakcija elektrona, protona i neutrona na kristalima dokaz je talasne naravi čestica, to jest de Brojeve teorije o talasima materije.[3]
U klasičnoj fizici, fenomen difrakcije je opisan Hajgens-Fresnelovim principom koji tretira svaku tačku u talasnom frontu koji se širi kao skup pojedinačnih sfernih vejvleta.[4] Karakterističan obrazac savijanja je najizraženiji kada talas iz koherentnog izvora (kao što je laser) naiđe na prorez/otvor koji je po veličini uporediv sa njegovom talasnom dužinom. Ovo je zbog dodavanja, ili interferencije, različitih tačaka na talasnom frontu (ili, ekvivalentno, svakog talasa) koji putuje putanjama različitih dužina do površine za registraciju. Ako postoji više, usko raspoređenih otvora (npr. difrakciona rešetka), to može rezultirati složenim obrascom različitog intenziteta.
Ovi efekti se takođe javljaju kada svetlosni talas putuje kroz medijum sa različitim indeksom prelamanja, ili kada zvučni talas putuje kroz medijum sa promenljivom akustičnom impedansom - svi talasi se difraktuju, uključujući gravitacione talase, talase vode i druge elektromagnetne talase kao što su rendgenski zraci i radio talasi. Štaviše, kvantna mehanika takođe pokazuje da materija poseduje talasaste osobine, te stoga podleže difrakciji (koja je merljiva na subatomskom do molekularnom nivou).[5]
O pojavi
[uredi | uredi izvor]
Pojava se objašnjava Hajgensovim principom. Do difrakcije dolazi kod prostiranja talasa svih vrsta elektromagnetnih (svetlost, H-zraka, radio talasa), zvučnih talsa itd. Osim toga difrakcija je potvrđena i kod fizičkih objekata na atomskom nivou, jer i čestice pokazuju talasne osobine i u ovom slučaju pojava se može objasniti principima kvantne mehanike. Iako do difrakcije dolazi kad god talas naiđe na prepreku, efekti difrakcije su najuočljiviji kada je veličina otvora (prepreke) reda veličine talasne dužine talasa. Najpovoljnija situacija za posmatranje difrakcije je kada talas nailazi na prepreku koja ima više bliskih otvora pomenutih dimenzija jer se tada na zaklonu formira difrakciono- interferenciona slika usled različitih putanja kojim se novonastali talasi prostiru.
Istorijat
[uredi | uredi izvor]
Efekat difrakcije je prvi put detaljno objašnjen od strane Frančeska Marije Grimaldija koji je pojavi dao ime polazeći od latinske reči diffringere, što znači “razbiti u komade”.[6][7] Rezultati do kojih je Grimaldi došao su objavljeni posthumno 1665. Isak Njutn je takođe proučavao efekte vezane za difrakciju.
Tomas Jang je izveo poznati eksperiment 1803. godine demonstrirajući interferenciju talasa na dva bliska otvora. Ovaj eksperiment mu je pomogao da dođe do zaključka da se svetlost prostire kao talas, nasuprot tvrdnjama mnogih naučnika da svetlost ima partikularnu prirodu tj. tvrdnjama da je svetlost sastavljena od čestica. Agustin Žan Frenelovi radovi o difrakciji objavljeni 1815. i 1818. godine takođe su išli u prilog ovoj tvrdnji. Ovi radovi su sadržali jednačine koje su potrebne za temeljan opis difrakcije.
Godine 1929, na osnovu difrakcije snopa elektrona kroz metalni film, eksperimentalno je potvrđena De Broljeva hipoteza o talasnoj prirodi svetlosti. Eksperiment su izveli Džordž Tompson i Klinton Dejvison, za šta su 1937. godine dobili i Nobelovu nagradu za fiziku.[8]
Difrakcija čestica
[uredi | uredi izvor].jpg)
Po kvantnoj teoriji svaka čestica pokazuje i talasne osobine. Dakle i čestice mogu da interferiraju i difraktuju poput na primer zvučnih talasa. Zapravo, difrakcija elektrona i neutrona, koja je potvrđena eksperimentom, je bila bitna pojava za kvantnu mehaniku jer je predstavljala jak argument u njenu korist kada su mnogi sumnjali u njenu ispravnost. Talasna dužina čestica se naziva de Broljeva talasna dužina i iznosi λ=h/p gde je h Plankova konstanta a p impuls (masa*brzina čestice za čestice koje se ne kreću brzinama bliskim svetlosnoj). Za makroskopske objekte ova talasna dužina je toliko mala da se slobodno može zanemariti. Atom natrijuma koji se kreće brzinom od 3000 m/s ima de Broljevu talasnu dužinu od 5 pikometara - dakle čak i atomi imaju jako male talasne dužine. Osobina čestica da imaju male talasne dužine ih čini idealnim za proučavanje kristalnih struktura materijala u čvrstom stanju i velikih molekula poput proteina.
Povezanost
[uredi | uredi izvor]Opis difrakcije se oslanja na interferenciju talasa koji se emituju iz istog izvora i koji se kreću različitim putanjama do iste tačke na ekranu. U ovom opisu, razlika u fazi između talasa koji su išli različitim putanjama zavisi samo od efektivne dužine putanje. Ovo ne uzima u obzir činjenicu da su talasi koji stižu na ekran u isto vreme izvor emitovani u različito vreme. Početna faza sa kojom izvor emituje talase može se vremenom promeniti na nepredvidiv način. To znači da talasi koje emituje izvor u trenucima koji su previše udaljeni ne mogu više da formiraju konstantan obrazac interferencije jer odnos između njihovih faza više nije vremenski nezavisan.[9]:919
Dužina preko koje je u korelaciji faza u snopu svetlosti naziva se dužina koherentnosti. Da bi došlo do interferencije, razlika dužine putanje mora biti manja od dužine koherentnosti. Ovo se ponekad naziva spektralna koherentnost, jer je povezana sa prisustvom različitih frekvencijskih komponenti u talasu. U slučaju svetlosti koju emituje atomska tranzicija, dužina koherencije je povezana sa životnim vekom pobuđenog stanja iz kojeg je atom napravio svoj prelaz.[10]:71–74[11]:314–316
Ako se talasi emituju iz proširenog izvora, to može dovesti do nekoherentnosti u poprečnom pravcu. Kada se posmatra poprečni presek snopa svetlosti, dužina preko koje je faza u korelaciji naziva se dužina poprečne koherentnosti. U slučaju Jangovog eksperimenta sa dvostrukim prorezom, to bi značilo da ako je dužina poprečne koherentnosti manja od razmaka između dva proreza, rezultujući obrazac na ekranu bi izgledao kao dva uzorka difrakcije sa jednim prorezom.[12]
U slučaju čestica poput elektrona, neutrona i atoma, dužina koherentnosti je povezana sa prostornim opsegom talasne funkcije koja opisuje česticu.[13]:107
Primena
[uredi | uredi izvor]Difrakcija X zraka i difrakcija elektrona koristi se za određivanje strukture čvrstih tela, odnosno kristala koji imaju periodičnu strukturu, te se preko bombardovanja materijala elektronima dobija difrakciona slika koja prošavši kroz sloj kristalnog materijala daje informacije o strukturi materijala. Za razliku od X zraka, elektroni kao naelektrisane čestice interaguju sa sredinom kroz koju prolaze, te daju i dodatne informacije o naelektrisanju materijala.[8]
Difrakcija pre uništenja
[uredi | uredi izvor]Novi način za snimanje pojedinačnih bioloških čestica pojavio se tokom poslednjih nekoliko godina, koristeći svetle rendgenske zrake koje stvaraju laseri bez rendgenskih elektrona. Ovi impulsi femtosekundnog trajanja će omogućiti (potencijalno) snimanje pojedinačnih bioloških makromolekula. Zbog ovih kratkih impulsa, oštećenje zračenja se može prevazići i moći će se dobiti obrasci difrakcije pojedinačnih bioloških makromolekula.[14][15]
Vidi još
[uredi | uredi izvor]Reference
[uredi | uredi izvor]- ^ Cajori, Florian "A History of Physics in its Elementary Branches, including the evolution of physical laboratories." Arhivirano 2016-12-01 na sajtu Wayback Machine MacMillan Company, New York 1899
- ^ Francesco Maria Grimaldi, (1665). Physico mathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque annexis libri duo. Bologna ("Bonomia"), Italy: Vittorio Bonati., Arhivirano 2016-12-01 na sajtu Wayback Machine:
Original : Nobis alius quartus modus illuxit, quem nunc proponimus, vocamusque; diffractionem, quia advertimus lumen aliquando diffringi, hoc est partes eius multiplici dissectione separatas per idem tamen medium in diversa ulterius procedere, eo modo, quem mox declarabimus.
Translation : It has illuminated for us another, fourth way, which we now make known and call "diffraction" [i.e., shattering], because we sometimes observe light break up; that is, that parts of the compound [i.e., the beam of light], separated by division, advance farther through the medium but in different [directions], as we will soon show.
- ^ Difrakcija, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
- ^ Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice Hall communications engineering and emerging technologies series, T. S. Rappaport, Prentice Hall, 2002 pg 126
- ^ Juffmann, Thomas; Milic, Adriana; Müllneritsch, Michael; Asenbaum, Peter; Tsukernik, Alexander; Tüxen, Jens; Mayor, Marcel; Cheshnovsky, Ori; Arndt, Markus (2012-03-25). „Real-time single-molecule imaging of quantum interference”. Nature Nanotechnology. 7 (5): 297—300. Bibcode:2012NatNa...7..297J. ISSN 1748-3395. PMID 22447163. S2CID 5918772. arXiv:1402.1867
. doi:10.1038/nnano.2012.34.
- ^ Francesco Maria Grimaldi, (1665). Physico mathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque annexis libri duo. Bologna ("Bonomia"), Italy: Vittorio Bonati., Архивирано 2016-12-01 на сајту Wayback Machine
- ^ Cajori, Florian "A History of Physics in its Elementary Branches, including the evolution of physical laboratories." Arhivirano 2016-12-01 na sajtu Wayback Machine MacMillan Company, New York 1899
- ^ a b Difrakcija elektrona, Laboratorijske vežbe iz fizike atoma, Nora Trklja, 2014, Fizički fakultet Univerziteta u Beogradu, pristupljeno: 4. maj 2015.
- ^ Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jerl (2005), Fundamental of Physics
(7th izd.), USA: John Wiley and Sons, Inc., ISBN 978-0-471-23231-5
- ^ Fowles, Grant R. (1975). Introduction to Modern Optics. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-65957-2.
- ^ Hecht, Eugene (2002), Optics (na jeziku: engleski) (4th izd.), United States of America: Addison Wesley, ISBN 978-0-8053-8566-3
- ^ Fowles 1975, str. 74–79 harvnb greška: više ciljeva (2×): CITEREFFowles1975 (help)
- ^ Ayahiko Ichimiya; Cohen, Philip I. (13. 12. 2004). Reflection High-Energy Electron Diffraction. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-45373-8. Arhivirano iz originala 16. 7. 2017. g.
- ^ Neutze, Richard; Wouts, Remco; van der Spoel, David; Weckert, Edgar; Hajdu, Janos (avgust 2000). „Potential for biomolecular imaging with femtosecond X-ray pulses”. Nature (na jeziku: engleski). 406 (6797): 752—757. Bibcode:2000Natur.406..752N. ISSN 1476-4687. PMID 10963603. S2CID 4300920. doi:10.1038/35021099.
- ^ Chapman, Henry N.; Caleman, Carl; Timneanu, Nicusor (2014-07-17). „Diffraction before destruction”. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 369 (1647): 20130313. PMC 4052855 . PMID 24914146. doi:10.1098/rstb.2013.0313.
Literatura
[uredi | uredi izvor]- Fowles, Grant R. (1975). Introduction to Modern Optics. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-65957-2.
Spoljašnje veze
[uredi | uredi izvor]
- „Scattering and diffraction”. Crystallography. International Union of Crystallography.
