diffraksjon

Bølger som går gjennom en åpning i en skjerm. Bølgene er markert med blå vertikale streker (bølgefronter). Før åpningen strekker bølgene seg langt utover, men etter åpningen vil bølgene tilsynelatende ende brått sidelengs i kantsonen. Det kan ikke bølger gjøre, så det blir en «smitteeffekt» som fører til at bølgen brer seg utover sidelengs. Det kan iblant oppfattes som om bølger blir «avbøyd». «Smitteeffekten» er mest merkbar når kantsonen er betydelig i forhold til den sentrale sonen, målt i antall bølgelengder.
a: Huygens prinsipp. Elementærbølgene har ikke samme intensitet i hele halvsirkelen, og prinsippet er vanligvis bare nyttig når vi betrakter bølgene mange bølgelengder vekk fra spalten og ser bort fra retninger som svarer til meget stor «avbøyning» (markert med rødt på en av sidene). b og c: Etter spalten brer bølgene seg ut mye kraftigere for en smal spalt enn for en bred.

Diffraksjon er et fenomen som inntreffer når bølger treffer en hindring eller passerer en åpning. Det kan se ut som om bølgene avbøyes rundt for eksempel et hjørne eller brer seg ut etter å ha passert en spalte i en skjerm.

Faktaboks

uttale:
diffraksjˈon
etymologi:
av latin ‘bryte i stykker’

Ofte omtaler vi diffraksjon i forbindelse med lysbølger, men alle typer bølger – for eksempel lyd- og vannbølger eller kvantefysikkens materiebølger – vil utsettes for diffraksjon. En praktisk konsekvens av diffraksjon er at det setter grenser for oppløsningsevnen til optiske instrumenter.

Historikk

Fenomenet ble først omtalt, og gitt betegnelsen diffraksjon, av den italienske fysikeren Francesco Maria Grimaldi (1618–1663). Også Isaac Newton (1643–1727) og Christiaan Huygens (1629–1695) studerte fenomenet. Tidlig på 1800-tallet gjorde Augustin-Jean Fresnel (1788–1827) omfattende undersøkelser av diffraksjon.

Beskrivelse

Den underliggende grunnen til diffraksjon er at ingen bølger kan ende brått i sideretning når det ikke lenger er en hindring for bølgeutbredelse sidelengs. Etter å ha passert hinderet eller åpningen vil bølgen «smitte over» til de områdene som ellers ville ligget i «skyggesonen» for et hinder (se figur). Smitteeffekten er mest markant når en bølge sendes gjennom en smal spalt (bredden ikke stor i forhold til bølgelengden). Iblant omtales diffraksjon av lysbølger som ‘lysavbøyning’, men «avbøyning» er et misvisende ord for å forklare årsaken til fenomenet.

Fenomenet diffraksjon er nært knyttet til interferens av bølger – det at bølger som treffer et punkt virker sammen og gir en resultantbølge som er summen av utslagene til de enkelte bølgene. Betegnelsene diffraksjonsmønster og interferensmønster brukes derfor om hverandre.

Diffraksjon når lys sendes gjennom en spalt

Diffraksjonsbilde fra en enkelt spalt. Bredden på den sentrale toppen avhenger av spaltens bredde i forhold til bølgelengden; toppen blir bredere når spalten blir smalere. Vakre diffraksjonsbilder som det til høyre er tatt med laserlys. Vi får slett ikke like mange detaljer for vanlig hvitt lys, noe som henger sammen med at vanlig hvitt lys inneholder svært mange bølgelengder.

Diffraksjon er et bølgefenomen, og vi bruker gjerne en tenkemåte som stammer fra Huygens og Fresnel når vi skal finne ut hvordan bølger utvikler seg etter å ha blitt begrenset av kanter eller spalter. Resonnementet er som følger: Når lys passerer en spalteåpning, kan vi tenke oss at hvert punkt på en bølgefront kan oppfattes som kilde til en halvsirkelformet bølge, kalt en elementærbølge, med sentrum i punktet. Til sammen vil alle de ytterste elementærbølgene med et helt antall bølgelengder danne bølgefronter, en betraktning som kalles Huygens prinsipp (se figur).

Dersom vi er langt fra spalten og spalten er flere ganger så vid som bølgelengden, vil elementærbølgene kombineres på en litt annen måte. Setter vi inn en skjerm eller fotografisk plate i lysveien, kan vi finne lyse og mørkere områder (se figur).

Diffraksjon når lys sendes gjennom et rundt hull

Eksperimentelt oppsett for å demonstrere diffraksjon fra et rundt hull. Den sentrale lysende skiven kalles airyskiven.
Også når lys går gjennom en linse og en lysbunt fokuseres til brennpunktet, er det randsoner (markert med rødt) som gir opphav til diffraksjon (se figur øverst). Diffraksjonen vil føre til at krumningen på bølgefrontene blir mindre og mindre inn mot brennpunktet, og at brennpunktet ikke blir et punkt, men en lysende skive.

Et annet eksempel er diffraksjon når lys passerer gjennom et sirkulært hull (se figur). Vi ser at det dannes et mønster av en sentral lysende skive med konsentriske mørke og lyse ringer utenfor den. Den sentrale skiven kalles airyskiven etter den britiske astronomen George B. Airy (1801–1892) som studerte dette fenomenet. Vinkelutstrekningen av airyskiven øker med økende bølgelengde og blir mindre når hullets diameter øker.

Praktiske eksempler på diffraksjon

Teleskoper

Diffraksjon gjennom en sirkulær åpning har betydning for teleskoper. Selv om vi ikke skygger for lysbunten på samme måte her som for et sirkulært hull, vil lysbunten også ha en klar «kantsone» inn mot brennpunktet etter å ha passert linsen (se figur). Ser vi på en fjern stjerne, vil den i teleskopet bli gjengitt som en airyskive og svake ringer rundt denne. Diffraksjon setter derfor en begrensing for et teleskops oppløsningsevne. To stjerner som ligger nær hverandre i synsretning, vil i små teleskop bare se ut som en relativt stor airyskive. Airyskiven blir mindre, det vil si oppløsningen blir bedre, desto større den effektive linsediameteren er. De beste teleskopene har derfor stor effektiv diameter på linsen eller speilet; det gir best oppløsning og det samles mer lys slik at svake objekter kan observeres.

Fotografering

Ved fotografering endres effektiv linsediameter ved hjelp av blenderåpningen. Stor blenderåpning har den fordelen at skarpheten blir størst mulig og mer lys slippes inn på bildebrikken, men samtidig blir dybdeskarpheten dårlig.

Øyet

Også i øyet vårt er oppløsningen delvis begrenset av diffraksjon. Pupillens åpning er typisk seks millimeter eller mindre under daglige gjøremål. Det setter en begrensing på hvor liten vinkelavstand to detaljer i synsbildet vårt vi kan holde adskilt.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg