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

Наука ОFFNews Последна промяна на 22 януари 2015 в 14:25 55925 0

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?

wave-diffractionСнимка: Quantum Catastrophes wave-diffractionСнимка: sodahead.com

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.

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

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !