Дифракція світла проявляється в обгинанні світловими хвилями невеликих перешкод, при цьому спостерігаються відхилення від законів геометричної оптики. Це також відноситься і до світлових хвиль, що проходять через отвір, наприклад, в об`єктиві фотокамери або через зіницю ока. Є дифракція Френеля і Фраунгофера. Відмінності полягають у величині відстані між джерелом світла, перешкодою і екраном, на якому спостерігається картина цього явища.
Місце дифракції в загальному ряду оптичних явищ
Проходження світлових (і взагалі електромагнітних) хвиль через різні неоднорідні середовища супроводжується явищами їх відображення, дифракції та заломлення. Коли хвиля досягає межі двох середовищ, вона поділяється на відбиту, що залишається в вихідної середовищі, але зі зміною напрямку поширення, і заломлену, яка проходить через кордон середовищ, але також зі зміною напрямку. Дифракція Френеля - це процес зміни в напрямку світлової хвилі при зустрічі на своєму шляху не кордону двох середовищ, а деякого непрозорого перешкоди з отвором (або без нього, але невеликих розмірів) в тому ж середовищі. Ступінь дифракції збільшується з ростом довжини світлової хвилі.
відкриття явища
Напевно, першим, хто спостерігав дифракцію, був Франческо Марія Грімальді (2 квітня 1618 р - 28 грудня 1663 г.), італійський священик-єзуїт і одночасно математик і фізик, який викладав в єзуїтському коледжі в Болоньї. Другу половину свого життя він присвятив вивченню астрономії та оптики.
Знаменитим зробила Грімальді його робота під назвою "Фізична наука про світлі, кольорах і веселці", яка була опублікована в Болоньї в 1665 році. Більша її частина складається з стомлюючого обговорення природи світла з теологічних позицій і сьогодні не представляє інтересу. Однак, крім цього, в книзі містяться облікові записи численних експериментів, пов`язаних з дифракцією променів світла.
Виходячи з повсякденного досвіду, люди ще в давнину зробили висновок, що промені світла поширюються по прямих лініях. Адже предмет, що знаходиться між, наприклад, полум`ям свічки і стіною, відкидає тінь навпроти матового відтінку, як якщо б прямі промені світла обривалися на непрозорій перешкоді.
Однак результати дослідів Грімальді суперечили цим усталеним за тисячоліття уявленням. Виявляється, якщо висвітлювати різні предмети через перешкоду з маленьким отвором, то тіні від них будуть зовсім не такими, як при відсутності перешкоди. Виходило, що світло здатне змінювати напрямок поширення і огинати невеликі перешкоди.
Як було виявлено дифракція Френеля на круглому отворі
Грімальді, пропустивши світло сонця в темну кімнату через невеликий отвір (апертуру), зауважив, що ширина тіні тонких об`єктів на кшталт голки і волоса на екрані виявляється значно більшою (як видно на фото нижче), ніж це було б, якби промені світла проходили по прямих лініях.
Він зазначив також, що коло світла, що формується на екрані променями, що проходять через дуже невеликий отвір в пластині свинцю, був явно більше, ніж це було б, якби ці промені падали на екран прямолінійно. Грімальді прийшов до висновку, що вони змінюють свій напрямок при проходженні поблизу країв отвору.
У його дослідах, проводилися всередині однієї кімнати, світло в яку потрапляв через отвори в віконницях, відстань між перешкодою для світлових хвиль (пластина з круглим отвором) і екраном було малим. Цим умовам відповідає і таке явище, як дифракція Френеля. Аналізуючи її, можна нехтувати кривизною фронту як вихідної падаючої на перешкоду хвилі, так і вторинних хвиль. Саме вони дають на екрані дифракційне зображення перешкоди з отвором, як показано на фото нижче.
Що відбувається, якщо світло падає на невелику непрозоре перешкода
Грімальді виявив також, що тінь невеликого тіла (неправильної форми) була оточена трьома кольоровими смугами або стрічками, які ставали більш вузькими в міру віддалення від центру тіні. Якщо вихідний потік світла був сильнішим, він відтворював аналогічні кольорові смуги і в зоні самої тіні: там виявлялися дві або більше таких смуг, причому їх кількість збільшувалася пропорційно відстані між тінню і висвітлюються тілом.
І в цьому випадку Грімальді вдалося спостерігати явище, яке пізніше було названо "дифракція Френеля", в результаті якого на екрані виходила дифракционная картина перешкоди. Аналітично розрахувати її дуже важко. Втім, є методи, які дозволяють в деяких окремих випадках істотно спростити цей розрахунок.
І ще одне зауваження про досліди Грімальді. Якби він використовував в них в якості екрану круглий диск (наприклад, блюдце), то, можливо, йому вдалося б на півтора століття раніше, ніж це сталося насправді, спостерігати таке явище, як дифракція Френеля на круглому диску. Але історія взагалі і історія науки, зокрема, не знають умовного способу. Тому цей досвід був виконаний тільки на початку 19 ст. (див. нижче).
Перше спостереження інтерференції
пропустивши сонячні промені в кімнату через кілька маленьких круглих отворів, Грімальді отримав сліди перекриваються одне одним конусів світла на екрані. Як і слід було очікувати, в тих областях, на які падали промені від двох отворів, екран був висвітлений сильніше, ніж це було б від одного конуса світла-але дослідник був здивований, виявивши, що ті частини сумарної тіні, в яких конуси світла накладені один на одного, виявилися темніше, ніж відповідні частини, в яких не було ніякого накладення (малюнок нижче). 
Таким чином, вперше було зафіксовано, що освітлене тіло може стати темніше, якщо додати світло до того, який воно вже отримує. Зараз ми знаємо, що причиною цього є інтерференція, т. Е. Взаємне посилення або ослаблення світлових хвиль. Вона ж проявляється і в такому явищі, як дифракція Френеля. Багато сучасні вчені навіть принципово не роблять різниці між цими поняттями, зводячи все дифракційні прояви до інтерференційним, як це зробив, наприклад, Р. Фейнман в 3-му томі своїх «Фейнмановских лекцій з фізики».
Від Грімальді до Гюйгенса і Ньютона
Першу спробу пояснити причину відхилення світла від прямолінійного поширення зробив знаменитий англійський вчений Р. Гук. Він припустив, що світло - це хвильові коливання світового ефіру, під яким тоді розумілася всепроникна субстанція, що заповнює весь простір. В ідеї Гука вже була закладена основа для майбутнього правильного пояснення того, що таке дифракція Френеля і всі оптичні явища. Однак він не зміг створити відповідну кількісну теорію.
Наступний крок був зроблений Християном Гюйгесом, який сформулював свій знаменитий принцип 1690 р Згідно з ним, видиме світло є сукупність поширюються від джерела в усі боки сферичних хвиль в ефірі. При цьому джерелом цих хвиль можуть бути не тільки частки ефіру, порушені безпосередньо джерелом світла (наприклад, полум`ям свічки), але і будь-які інші його частки в точках простору, які проходить світло при поширенні. Результуюча видима хвиля знаходиться в будь-який момент часу як огинає все вторинні хвилі. Останні ж цілком можуть поширюватися і за межі перешкод на шляху світла, що добре накладається на спостережувані при дифракції картини їх тіней. Тому, згідно з цією теорією, ніякого огибания світлом перешкод просто немає - від нових (вторинних) джерел він поширюється за перешкоди.
Однак, згідно з принципом Гюйгенса, взагалі неможливі вузькі світлові промені - їх краю відразу ж повинні розповзатися в усі сторони. Проте, їх можна бачити неозброєним оком, як це було в дослідах Грімальді. Виникало протиріччя між теорією і практикою.
Подолати його спробував І. Ньютон у своїй нової теорії світла, яка також давала пояснення всім оптичних явищ, включаючи і таке, як дифракція світла Френеля. Однак основний постулат Ньютона про те, що світло - це не хвиля в ефірі, а потік тел (корпускул), породив інші суперечності. Так, було неясно, чому не впливають один на одного пересічні пучки світла, адже корпускули повинні були б мати справу один з одним. Але авторитет Ньютона був настільки високий, що хвильова теорія світла була забута більш ніж на сто років.
Повернення світлових хвиль
У 1880 р англійський фізик Т. Юнг запропонував повернутися до хвильової теорії світла, доповненої поняттям про інтерференції світлових хвиль. Воно означає, що при накладенні один на одного когерентних (з однаковими частотами) хвиль можливо стійке в часі посилення інтенсивності світла в одних точках поля і ослаблення в інших в залежності від співвідношення фаз складаються світлових хвиль.
Поняттям інтерференції скористався французький фізик О.Френель, щоб доповнити їм принцип Гюйгенса. Згідно з його варіанту, все вторинні сферичні хвилі є когерентними і интерферируют при накладенні. Який же фізичний механізм має дифракція Гюйгенса-Френеля?
Пропускаємо світло через круглий отвір
Коли світлова хвиля поширюється через отвір, співвідношення між його діаметром і довжиною хвилі падаючого променя визначає поведінку світла. Як показано на лівій частині малюнка нижче, коли довжина хвилі значно менше, ніж діаметр отвору, вона просто проходить вперед по прямій лінії, як ніби перешкоди взагалі немає.
На правій стороні малюнка, проте, показана інша ситуація. В цьому випадку довжина хвилі світла, що пройшло від точкового джерела, перевищує діаметр отвору, і виникає дифракція Френеля на отворі. При аналізі цього явища отвір вважають відсутнім, а замість нього поміщають сукупність фіктивних вторинних джерел світла, які збуджують ті самі вторинні сферичні хвилі, про які вже згадувалося вище. Вони поширюються в напрямку екрана і досягають різних його точок з різними фазами, интерферируя один з одним, т. Е. Посилюючись або послаблюючи в кожній такій точці. Оскільки вся система має осьову симетрію, то падаючий циліндричний пучок світла перетворюється в конічний, а на екрані спостерігається також осесиметрична дифракционная картина з чергуються яскравих і темних кілець, які називаються також максимумами і мінімумами освітленості відповідно. У точці P, що знаходиться на осі отвору, буде яскрава пляма - основний максимум, а перший з вторинних максимумів освітленості виникне в точці Q. Інтенсивність вторинних максимумів зменшується у міру збільшення їх відстані від центру дифракційної картини. Співвідношення між розміром отвору і ступенем дифракції визначається наступним рівнянням:
sintheta- = lambda- / d, де
- theta- - кут між напрямком на центр дифракційної картини і напрямком на її перший мінімум,
- lambda- - довжина світлової хвилі.
Малюнок нижче показує, як змінюється інтенсивність освітленості екрану в залежності від кутової відстані від центру. Зверніть увагу, що мінімуми, що знаходяться між вторинними максимумами, розташовані в точках, кратних величиною prod-.
Аналітичний розрахунок картини такого явища, як дифракція Френеля на отворі і диску, істотно спрощується внаслідок осьової симетрії, про що буде додатково сказано нижче.
Круглий диск на шляху пучка світла
Якщо слідувати теорії Френеля, то при приміщенні на шляху пучка світла круглого непрозорого диска всі крапки на його краях стають джерелами когерентних вторинних сферичних хвиль. Відстані між цими точками і точкою перетину осі диска з перпендикулярним їй непрозорим екраном однакові. Тому хвилі від усіх точок на краю диска повинні перетнутися в один час і в одній фазі, т. Е. Вони повинні скластися і значно посилити один одного. Виходить, що в центрі круглої тіні від диска повинно спостерігатися яскраве освітлене пляма, як на малюнку нижче.
На цю обставину вперше звернув увагу французький фізик С. Пуассон, колишній противником теорії Френеля. Він вважав, що зазначене їм обставина доводить її неспроможність. Яке ж було його здивування, коли Френель спільно з Араго виконав відповідний досвід і отримав в центрі тіні від диска саме таку пляму! На малюнку нижче схематично показаний цей досвід.
Так проявляє себе дифракція Френеля на диску. Яскраве ж пляма в центрі його тіні отримало найменування плями Пуассона. Якщо диск невеликий, то інтенсивність світла в центрі його дифракційного зображення практично така ж, як і при його (диска) відсутності.
Як розраховувати картини дифракції
У загальному випадку розрахунок інтерференції вторинних хвиль для отримання дифракційної картини є складним. Але в осесиметричних випадках він може бути спрощений, так що стає нескладною і вся картина такого явища, як дифракція. Метод зон Френеля дозволяє наочно геометричним способом розбити фронт сферичної хвилі на кільцеві ділянки.
Амплітуди і відносні фази всіх зон беруться до уваги для розрахунку розподілу інтенсивності. Таким чином, для визначення дифракційної картини застосовується досить складна математична обробка. Але при аналізі такого явища, як дифракція Френеля на круглому отворі та диску, вона зазнає суттєвого спрощення.
На малюнку нижче S є точковим джерелом світла. 
S випромінює сферичну світлову хвилю довжиною lambda- в напрямку зліва направо. Нехай радіус її фронту в момент часу t дорівнює R. Ефект цього хвильового фронту в точці Р визначається шляхом його поділу на кільцеві зони. Відстані від країв двох послідовних зон до точки Р відрізняються на lambda- / 2. Кільцеві зони, що володіють цією властивістю, називаються зонами Френеля. Відстань від нульової зони до точки Р одно b0.
Перша зона знаходиться на відстані b1 = b0 + lambda- / 2- друга: b2 = b0 + 2lambda- / 2- третя: b3 = b0 + 3lambda- / 2- i-я зона: bi = b0 + ilambda- / 2.
Послідовно розташовані краю двох сусідніх зон знаходяться в подібних точках. Якщо в них порушуються вторинні сферичні хвилі, то вони приходять в точку спостереження Р з різницею фаз в 180 ° і взаємно послаблюють одна одну при накладанні (але не знищують).
Дифракція Френеля на круглому отворі та диску - картина з осьової симетрією. Тому застосування цього методу дозволяє істотно спростити побудову дифракційної картини при проходженні світлом таких перешкод.
Як працюють кільцеві зони Френеля на круглому отворі
Розглянемо знову випадок, коли на круглому отворі відбувається дифракція світла. Зони Френеля, на які може бути розбитий хвильовий фронт, укладаються в отворі даного діаметра при певній довжині хвилі lambda- і відстані від фронту до екрану b0, можуть виявитися в кількості, вираженому непарних або парним числом. Як уже було відзначено вище, вторинні хвилі від двох сусідніх зон в кожній точці екрану послаблюють, хоча і не знищують один одного. Тому, якщо для центру дифракційної картини число зон Френеля, що укладаються в отворі, непарній (2k + 1), то амплітуда освітленості в центрі картини буде складатися з суми залишку дії першої (центральної) зони і нічим не скомпенсованого дії (2k + 1) - ї зони, які будуть підсилювати один одного. Дифракційна картина для цього випадку показана на малюнку нижче.
Якщо ж число зон Френеля, що укладаються в отворі, буде парним, то вплив всіх зон в центрі картини буде взаємно попарно скомпенсировано, і в ньому з`явиться темна пляма.
