22 май 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Примери за дифракция. Как се образува дъгата? Какво е хало?

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 22 януари 2015 в 14:25208640

Дифракция означава буквално "пречупване" от латински - diffractus - със същия ни познат корен - "fractus" - от който е взето името на фракталите. Някои основни въпроси за дифракцията и интерференцията разгледахме в "Вълна. Основни формули и зависимости. Дифракция и интерференция".

Ефекти на дифракцията често се наблюдават често във всекидневния ни живот. Дифракцията е причината за много явления, които са завладявали въображението ни още като деца, а и са родили красиви легенди и митове като дъгата, например.

Дифракция се случва при всички вълни, включително звуковите вълни, водните вълни и електромагнитните вълни като видимата светлина, рентгенови лъчи и радиовълни. Благодарение на това явление ние чуваме, когато не виждаме източника на звука, т.е звуковите вълни "заобикалят" препятствията.

wave-diffractionСнимка: geographyfieldwork.com Дифракцията се наблюдава често във водни басейни, когато вълните преминават около островчета или през малки пролуки. Вижда се как вълните се огъват, след като преминат през протока и стават успоредни на бреговата ивица. Енергията на вълните отслабва и пясъците се отлагат . wave-diffractionСхема: Luxorion Понякога, ефектите на дифракцията могат да помогнат за получаването на радио вълни в области, разположени в "сянката" на препятствия като този хълм. Сигналите ще бъдат по-слаби, но все пак ще бъдат получени.

Разноцветното CD

Много красиви оптични явления са свързани с дифракцията на светлината, породена от квантовото взаимодействие между фотоните на светлината и краищата на атомите. Когато металните повърхности имат неравномерности по-малки от дължината на вълната на видимата светлина (от порядъка на нанометър), различните дължини на вълните ще се отразят с различни ъгли. Когато тези грапавини са подредени линейно (например CD или DVD диск), ще се появи дъга.

wave-diffractionСнимка: Astronomical Instrumentation wave-diffractionСнимка: kvchuru.nic.in

Електронният микроскоп

Учените използват дифракцията на неутрони и рентгенови лъчи за изследване на структурата на микрообекти дори на ниво атоми и молекули в електронния микроскоп. Не съществува обектив, който да фокусира неутрони и рентгенови лъчи в образ, така че изследователите го възстановят от дифракционните изображенията на молекулите чрез сложен математически анализ.

В дясно: Типичен образец на електронна дифракция на кристал.

electron microscopСнимка: matter.org.uk

Първата снимка на сянката на един атом

Австралийски изследователи от Университета Грифит са направили първата по рода си "моментална снимка" на сянката на един атом - най-малкият обект някога сниман с видима светлина.

electron microscopСнимка: matter.org.uk Учените са "заловили" един относително голям атом итербий в йонен капан (вакуумна камера с електрическо поле). След това са го обстрелвали с лазерен лъч - около хиляда пъти по-широк, отколкото атома итербий, който абсорбира една малка част от светлината и в резултат се е получила сянка, после записана на цифровия сензор на фотографска камерата и увеличена. Екипът е използвал итербий, защото точно за този елемент са успели да създадат лазери с подходящия цвят, който да бъде силно абсорбиран от този елемент.

Дъгата

Дъгата, петролните петна, шарките върху сапунените мехури, паяжините са резултат от дифракция, заедно с дисперсия (разлагане на светлината), отражение и пречупване.

Малко история

Персийският астроном Кутб ал-Дин ал-Ширази (1236-1311) и неговия ученик Камал ал-Дин Ал-Фаризи  (1260-1320) са били първите, които дават достатъчно точно обяснение на феномена.  

wave-diffraction

Рене Декарт дава по-пълно обяснение на дъгата през 1635г. :  дъгата е резултат на отражение от вътрешната повърхност на дъждовна капка и двойно пречупване - при влизане и излизане от капката. За целта, той е използвал стъклено кълбо, пълно с вода, което давало възможност да се наблюдава как слънчевият лъч се отразява в дъждовната капка и как се пречупва.

Вляво: Илюстрация на Декарт "образуването на дъгата" - wikipedia

Дъгата се появява, защото слънчевата светлина се пречупва в дъждовни капчици вода или пара (мъгла) в атмосферата, които отклоняват по различен ъгъл различните цветове на светлината. Например червеният цвят, който има най-дълга вълна от видимата светлинат се отклонява при пречупване на 137°30’, а късовълновия виолетов цвят на 139°20’ и така бялата светлина се разлага в спектър. Това явление се нарича дисперсия (разлагане на светлината) Rainbow formation Източник: wikipedia (fr)

Най-често се наблюдава основната дъга, при която светлината претърпява само едно вътрешно отражение. Ходът на лъчите е показано на илюстрацията по-горе в зелено. В основната дъга, червеният цвят е от външната страна на дъгата, ъгловия й радиус е 40-42 °.

Понякога можете да видите и друга, по-малко ярка дъга около първата. Това е вторична дъга, в която светлината се отразява в капката два пъти (показано е в червено на горната илюстрация). Във вторичната дъга цветовете са "обърнати" - виолетовият цвят е отвън, а отвътре е червения. Ъгловият радиус на вторичната дъга 50-53 °. Небето между двете дъги обикновено е с много по-тъмен нюанс. Също така е възможно да се наблюдават и дъги с още по-висок порядък, но най-вече в лабораторни условия. Rainbow formationСхема: wikipedia

 

Защо дъгата е кръгла?

Защо разноцветната дъждовна дъга има форма на част от окръжност, а в някои случаи описва идеален кръг около сянката на самолета ви? Лесно ще отговорим на този детски въпрос. wave-diffractionСнимка: Quantum Catastrophes wave-diffractionСнимка: sodahead.com

За да опростим задачата, да приемем, че Слънцето се намира на нивото на нашия хоризонт и че завесата на дъжда изглежда като вертикална стена, равнина, която е перпендикулярна на лъчите на слънцето В схемата с О е означен наблюдателя, с О1 − противоположната на слънцето точка, проекция върху водната завеса. Лъчите, които идват към наблюдателя, отразени от дъждовните капки, са видими за него само сключват ъгъл в диапазона от 40-42° с лъчите на слъцето, както споменахме малко по-рано. Така видимо за наблюдателя остава само сечението на обвивката на конус с връх 2 пъти 42° с водната завеса.

Rainbow formation 

Капките дъжд, разбира се, не висят неподвижно във въздуха, а бързо падат. Затова една капка участва в оформянето на образа на дъгата, само за много кратко, когато местоположението й е връх на ъгъл с рамене лъчите на слънцето и посоката на наблюдателя, с размер близък до 42°. Капките се движат толкова бързо, че наблюдателят вижда неподвижно изображение на дъгата.

Тъй като нормалното положение е да виждаме дъга от слънце, което се намира над нашия хоризонт, т. О1  ще е винаги поне малко под хоризонта и затова дъгата ще бъде най-често по-малка от полуокръжност. За да се види пълен кръг дъга трябва осветените капки вода, да са под наблюдателя. Това може да стане или с помощта на маркуч или ако преминавате със самолет над дъждовни облаци. Има и още един вариант -  ако източника на светлина е под нас, но това вече няма да е Слънцето. Rainbow formation

Хало

Има един друг вид "дъга", която се вижда в студени дни около Слънцето. Това е дъга, която се създава не от капчици дъжд, а от ледени кристалчета. Може да се наблюдава по всяко време през нощта и деня, около Слънцето или Луната, понякога и около уличните лампи.

Халото е атмосферно оптично явление, както и дъгите и северното сияние. Този феномен се дължи на дисперсията (разлагането) на светлината в ледените кристали. За разлика от водните капчици, които се различават помежду си само по размер) ледените кристали могат да са в много разнообразни форми и могат да летят във въздуха по различни начини: реейки се, въртейки се или бавно падайки. Затова дъгата винаги се намира в едно и също място в небето (когато слънце е зад гърба ни), а халото се проявява по стотици начина.

По какво се различават халото и дъгата?

Дъга Хало
Дъгата се наблюдава стоейки с гръб към Слънцето Халото с малки изключения се наблюдава около Слънцето
Дъгата е пълноцветна, в нея са всички цветове на спектъра В повечето случи халото е слабо оцветено, присъстват само червен и оранжев цвят, останалите се виждат много по-бледи; в редки случаи халото е пълноцветно.
При дъгата червеният цвят е от външната страна, а виолетовото е по-близо до центъра. При халото откъм центъра (Слънцето) е червения цвят.

 

Видове хало и кристалчетата, които го създават. Хало ВарнаСхема: atoptics.co.uk

Няколко снимки от това рядко и красиво оптично явление.

Хало

Изгрев над Парк Сити (Юта) на 7 февруари, 2003г, заснет от Дон Браун. Допълнителните слънца, наречени пархелий или още "слънчеви кучета" изглежда, че са пред далечните хълмове, защото са създадени от прах от ледени кристали, плаващи по-наблизо в минусовия въздух.

Снимка: atoptics.co.uk/halo

Хало Хало Хало
22° хало на Южния полюс, снимано от Marko Riikonen. 22° хало във Тайланд. Снимка: Sitthivet Santikarn "Лунни кучета" заснети от Steve West в Тусон, Аризона
Хало Хало Хало
Дъга circumhorizon, заснета в небето над северната част на Айдахо (близо до границата Вашингтон) на 23.06.2006. Снимка: MessiahMews Още една дъга circumhorizon  на височина от 57.8 ° , достига своята максимална интензивност на височина от 67.9 °. Снимка: Jeff Kubina Тази ярка circumhorizon дъга, наричана още и "огнена дъга" е снимана през май 2010 г. в Парк Сити, Юта. Снимка: Grayson West
Хало Хало Хало
"Светлинна гора" (sun pillar) - това подобно на северно сияние явление пак е тип "хало".   Снимката е направена във: Феърбанкс, Аляска. Източник: naturalphenomenon Светлинният или слънчев стълб се появява като вертикална колона от светлина, излизаща от слънцето на залез или изгрев Слънчев стълб в Сан Франциско. Снимка Mila Zinkova Александр Костенко заснел на 12.08.2010 в 11ч в Алтай невероятно хало. Виждат се 4 вида хало, от които две изключително редки: 22° хало, дъга на Вегнер, пархелически кръг, противослънце антхелий

27.01.2013 - х. Алеко - Черни връх

Наскоро приятел сподели свои снимки на това уникално явление по време на разходка до Черни връх. Даде ми достъп до снимките и на други щастливци, имали късмета да видят хало в България. Халото е добре изразено с всички елементи: слънчев стълб, пархеличен кръг, 22° хало, слънчеви кучета, горна допирателна и зенитна дъга. Виждат се ясно ледените кристалчета във въздуха, оцветени със цветовете на дъгата, на които дължим тази красота.

Хало Хало Хало
Снимки: Albena Mihaleva
Хало Хало Хало
Снимки: Janeta Ganchevska
Хало Хало Хало
Снимки: Nina Mikova Снимка: Владимир Пешев

 

Основни понятия и лексика

Източници:

Wave Refraction and Coastal Defences The radio propagation , astrosurf.com

Astronomical Instrumentation Diffraction Patterns, matter.org.uk

Look at This: Atom Casts a Tiny Shadow, discovermagazine.com

First Photo of Shadow of Single Atom, sciencedaily.com

First Picture of an Atom's Shadow—Smallest Ever Photographed , National Geographic

Quantum Catastrophes Rainbow, wikipedia

Радуга,wikipedia

Arc en ciel, wikipedia

ice-halo.net


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.