====== Fyzikální optika ======
===== Vlny =====
==== Příčné a podélné vlny ====
Mechanické vlny mohou existovat pouze v látkovém prostředí a jejich pohyb je určen Newtonovými zákony. V případě //příčných// (//transverzálních//) mechanických vln, jakými jsou například vlny na napnuté struně, kmitají částice prostředí kolmo ke směru postupu vlny. Při šíření //podélných// (//longitudinálních//) vln kmitají částice prostředí rovnoběžně se směrem postupu vlny.
==== Sinusové vlny (harmonické vlny) ====
Sinusová (harmonická) vlna, postupující ve směru osy //x//, je popsána vztahem
//y//(//x//, //t//) = //y//m sin(//kx// − //ωt//),
kde //y//m je amplituda, //k// je úhlový vlnočet, //ω// je úhlový kmitočet neboli úhlová frekvence a //kx// − //ωt// je fáze. Vlnová délka //λ// souvisí s //k// vztahem
//k// = 2π%%/%%//λ//.
Perioda //T// a frekvence //f// vlny jsou s úhlovou frekvencí //ω// vázány vztahy
//ω///(2π) = //f// = 1%%/%%//T//.
//Rychlost šíření vlny v// je uvedenými parametry určena vztahem
//v// = //ω//%%/%%//k// = //λ//%%/%%//T// = //λf//
==== Rovnice obecné postupné vlny ====
Jakákoliv funkce tvaru
//y//(//x//, //t//) = //h//(//x// − //vt//)
popisuje vlnu postupující //ve směru// osy //x// stálou rychlostí //v// (pro //v// > 0). Její tvar je určen konkrétním tvarem funkce //h//. Vlna postupující //proti// směru osy //x// je popsána funkcí //h//(//x// + //vt//).
==== Rychlost vlny na napnuté struně ====
Rychlost vlny, která postupuje na napnuté struně, je určena napětím struny //τ// a délkovou hustotou struny //μ//. Platí
//v// = sqrt(//τ//%%/%%//μ//).
==== Výkon ====
Střední výkon vlny je střední rychlost změny energie v daném místě v důsledku jejího přenosu touto vlnou. V případě sinusové vlny v napnuté struně je střední výkon roven
//P// = (//μvω//²//y//m²)/2.
==== Skládání vln ====
Při současném šíření dvou nebo více vln v tomtéž prostředí je výchylka libovolné částice prostředí rovna součtu výchylek, které by této částici individuálně udělily jednotlivé vlny. Toto pravidlo se nazývá //princip superpozice//.
==== Fourierova řada ====
Libovolnou vlnu můžeme vyjádřit ve tvaru //Fourierovy řady//, tj. ve tvaru součtu vhodně zvolených sinusových vln.
==== Interference vln ====
Výchylky ve dvou vlnách postupujících na téže struně se sčítají nebo odčítají podle principu superpozice. Říkáme, že spolu interferují neboli že dochází k //interferenci//. Pokud se obě výchozí vlny shodují ve směru šíření, v amplitudě //y//m a ve frekvenci //f// (a tedy mají také stejnou vlnovou délku), avšak liší se fázovou konstantou //φ//, vzniká interferencí jediná vlna stejné frekvence:
//y//′(//x//, //t//) = 2//y//m cos(//φ///2) sin(//kx// − //ωt// + //φ///2).
Je-li //φ// = 0, vlny jsou ve fázi a jejich interference je (úplně) konstruktivní. Při //φ// = π rad jsou vlny v protifázi a jejich interference je (úplně) destruktivní.
==== Fázory ====
Formálně můžeme vlnu //y//(//x//, //t//) popsat //fázorem//. Je to vektor, jehož velikost je rovna amplitudě vlny //y//m a který se otáčí kolem počátku s úhlovou rychlostí rovnou úhlové frekvenci vlny //ω//. Projekcí rotujícího fázoru na svislou osu získáme výchylku //y// jednotlivých částic při šíření vlny.
==== Stojaté vlny ====
Interferencí dvou identických sinusových vln, postupujících v opačných směrech, vznikají stojaté vlny. V případě struny s upevněnými konci jsou stojaté vlny popsány vztahem
//y//′(//x//, //t//) = 2//y//m sin(//kx//) cos(//ωt//).
Stojaté vlny mají pevné polohy uzlů a kmiten. //Uzel//, resp. //kmitna// je poloha nulové, resp. maximální příčné výchylky struny.
==== Vlastní kmity ====
Stojaté vlnění můžeme na struně vytvořit odrazem postupných vln na koncích struny. Na upevněných koncích se vytvářejí uzly vlny. Toto pravidlo omezuje frekvence stojatých vln, které lze na dané struně vybudit. Každou takovou přípustnou frekvenci nazýváme //vlastní// neboli //rezonanční frekvencí// a odpovídající stojatou vlnu nazýváme //vlastním// neboli //rezonančním kmitem// struny. V případě struny délky //L// s oběma konci upevněnými jsou vlastní frekvence určeny vztahem
//f// = //v//%%/%%//λ// = (//nv//)/(2//L//) pro //n// = 1, 2, 3, ….
Kmit příslušný //n// = 1 nazýváme //základním kmitem// neboli //prvním harmonickým kmitem// (první harmonickou). Kmit odpovídající //n// = 2 je //druhý harmonický kmit//. Podobně pro vyšší hodnoty //n//.
==== Zvukové vlny ====
Zvukové vlny jsou mechanické vlny šířící se pevným, kapalným nebo plynným prostředím. Mohou být podélné (kdekoliv) anebo příčné (pouze v pevných látkách). Rychlost zvukové vlny //v// v prostředí s modulem objemové pružnosti //K// a hustotou //ρ//, je
//v// = sqrt(//K//%%/%%//ρ//) (rychlost zvuku).
Ve vzduchu je při teplotě 20 °C rychlost zvuku 343 m/s.
Zvuková vlna způsobuje podélnou výchylku s částice prostředí podle vztahu
//s//(//x//, //t//) = //s//m cos(//kx// − //ωt//),
kde //s//m je //amplituda výchylky// (maximální výchylka z rovnovážné polohy), //k// = 2π%%/%%//λ//, //ω// = 2π//f//, //λ// je vlnová délka a //f// frekvence zvukové vlny. Zvuková vlna také způsobuje odchylku tlaku Δ//p// prostředí od rovnovážného tlaku:
Δ//p//(//x//, //t//) = Δ//p//m sin(//kx// − //ωt//),
kde //amplituda tlaku// je
Δ//p//m = (//vρω//)//s//m.
==== Interference ====
Výsledek interference (skládání) dvou vln o stejné vlnové délce procházejících jedním bodem závisí na jejich fázovém rozdílu //φ// v tomto bodě. Jestliže jsou obě vlny emitovány ve fázi a šíří se (přibližně) stejným směrem, pak pro //φ// platí
//φ// = (Δ//L//2π)%%/%%//λ//,
kde Δ//L// je jejich //dráhový rozdíl// (rozdíl mezi vzdálenostmi, které obě vlny urazily do bodu setkání). Podmínky pro úplnou konstruktivní a destruktivní interferenci vln jsou dány vztahy
//φ// = 2π//m//, //m// = 0, ±1, ±2, ... (konstruktivní interference)
a
//φ// = 2π(//m// + ½), //m// = 0, ±1, ±2, ... (destruktivní interference).
Tyto vztahy odpovídají podmínkám
Δ//L// = //mλ//, //m// = 0, ±1, ±2, ... (konstruktivní interference)
a
Δ//L// = (//m// + ½)//λ//, //m// = 0, ±1, ±2, ... (destruktivní interference)
pro dráhový rozdíl Δ//L//.
==== Intenzita zvuku ====
Intenzita //I// zvukové vlny je průměrný výkon, s jakým prochází energie jednotkovou plochou kolmou na směr šíření:
//I// = //P//%%/%%//S//,
kde //P// je výkon (velikost energie přenesené zvukovou vlnou za jednotku času) a //S// je velikost plochy, na kterou zvuk dopadá. Intenzita //I// je svázána s amplitudou zvukové vlny //s//m vztahem
//I// = (//ρvω//²//s//m²)/2.
Intenzita ve vzdálenosti //r// od bodového zdroje vysílajícího zvukové vlny o výkonu //P//Z je
//I// = //P//Z/(4π//r//²).
==== Hladina intenzity zvuku v decibelech ====
//Hladina intenzity zvuku β v decibelech// dB je definována jako
//β// = (10 dB) log(//I//%%/%%//I//0),
kde //I//0 = 1 pW/m² je referenční hladina, ke které se všechny ostatní hodnoty vztahují. Každému zvýšení intenzity o desetinásobek odpovídá nárůst hladiny zvuku o 10 dB.
==== Stojaté vlnění v trubicích ====
V trubicích lze vybudit stojaté vlnění. Trubice délky //L// otevřená na obou koncích bude rezonovat při frekvencích
//f// = //v//%%/%%//λ//= (//nv//)/2//L//, //n// = 1, 2, 3, … (otevřená trubice),
kde //v// je rychlost zvuku ve vzduchu uvnitř trubice. Trubice, která je otevřená jen na jedné straně a uzavřená na druhé, má vlastní frekvence
//f// = //v//%%/%%//λ//= (//nv//)/4//L//, //n// = 1, 3, 5, … (trubice otevřená jen na jedné straně).
==== Rázy ====
//Rázy// vznikají při skládání dvou vln o blízkých frekvencích //f//1 a //f//2. Frekvence rázů je rovna
//f//rázy = //f//1 − //f//2.
==== Dopplerův jev ====
Při //Dopplerově jevu// se mění pozorovaná frekvence vlny tím, že se zdroj nebo detektor (nebo oba) pohybují vzhledem k prostředí. Pro zvuk je pozorovaná frekvence //f//′ vyjádřena pomocí frekvence zdroje //f// vztahem
//f//′ = //f// %%((%%//v// ± //v//D) / (//v// ∓ //v//Z)) (obecný Dopplerův jev),
kde //v//D, resp. //v//Z je relativní rychlost detektoru, resp. zdroje vůči prostředí a //v// je rychlost zvuku v tomto prostředí. Znaménka jsou volena tak, aby //f//′ //rostla// při vzájemném pohybu zdroje a detektoru k sobě a //klesala// při jejich pohybu směrem od sebe.
==== Rázová vlna ====
Pokud rychlost zdroje vzhledem k prostředí překročí rychlost šíření zvuku v prostředí, pozbývá Dopplerova rovnice platnosti. V takovém případě dojde ke vzniku rázové vlny. Vrcholový úhel 2//θ// kuželové vlnoplochy je dán vztahem
sin(//θ//) = //v//%%/%%//v//Z (Machův úhel).
==== Dopplerův jev pro světlo ====
Pokud se světelný zdroj a detektor pohybují vzájemnou rychlostí //u// ≪ //c//, bude naměřená frekvence světla //f//′ rovna
//f//′ = //f// (1 ± //u//%%/%%//c//),
kde //f// je frekvence, která by byla naměřena, pokud by zdroj a detektor byly navzájem v klidu. Vzájemná rychlost //u// je spojena s posuvem vlnové délky //λ// vztahem
u = (Δ//λ//%%/%%//λ//)//c//
kde //λ// je vlnová délka při vzájemném klidu (//u// = 0). Pokud se zdroj a detektor pohybují směrem k sobě, je posuv Δ//λ// záporný (modrý posuv), pokud se od sebe vzdalují, je posuv Δ//λ// kladný (rudý posuv).
===== Elektromagnetické vlny =====
==== Elektromagnetické vlny ====
Oscilace elektrického a magnetického pole ve tvaru postupné vlny nazýváme elektromagnetickou vlnou. Všechny možné frekvence elektromagnetických vln tvoří spektrum. V něm jen úzká část přísluší viditelnému světlu. Elektromagnetická vlna šířící se ve směru osy //x// má elektrickou intenzitu //**E**// = (0, //E//, 0) a magnetickou indukci //**B**// = (0, 0, //B//). Obě pole jsou k sobě kolmá a jejich hodnoty závisejí na //x// a //t//:
//E// = //E//m sin(//kx// − //ωt//),\\
//B// = //B//m sin(//kx// − //ωt//),
kde //E//m a //B//m jsou amplitudy //E// a //B//. Elektrické pole je indukováno polem magnetickým a naopak. Rychlost elektromagnetických vln ve vakuu značíme //c// a platí
//c// = 1/sqrt(//μ//0//ε//0),\\
//c// = //E//%%/%%//B//,
kde //E// a //B// jsou okamžité hodnoty obou polí.
==== Tok energie ====
Množství energie přenesené elektromagnetickou vlnou za jednotku času jednotkovou plochou je dáno Poyntingovým vektorem //**S**//:
//**S**// = (1%%/%%//μ//0) //**E**// × //**B**//.
Směr vektoru **//S//** (a tedy i směr šíření vlny a přenosu energie) je kolmý k rovině určené vektory //**E**// a //**B**//. Střední hodnotu energie //__S__// prošlé jednotkovou plochou za jednotku času nazýváme //intenzita I//. Je rovna
//I// = (1%%/%%//cμ//0) //E//ef²,
kde //E//ef = //E//m/sqrt(2). Bodový zdroj elektromagnetických vln vysílá vlny izotropně, tj. se stejnou intenzitou do všech směrů. Intenzita vln ve vzdálenosti //r// od bodového zdroje s výkonem //P//s je
//I// = //P//s/(4π//r//²).
==== Tlak záření ====
Když dopadá elektromagnetické záření na nějaký povrch, působí na něj tlakem a výslednou silou. Pokud je záření zcela pohlceno, je velikost působící síly rovna
//F// = (//IS//)%%/%%//c// (úplné pohlcení),
kde //I// je intenzita záření a //S// je obsah plochy kolmé ke směru záření. Pokud je záření úplně odraženo, je velikost síly (v případě
kolmého dopadu) rovna
//F// = (2//IS//)%%/%%//c// (úplný kolmý odraz).
Tlak záření //p//r (radiační tlak) je síla na jednotku plochy:
//p//r = //I//%%/%%//c// (úplné pohlcení)
a
//p//r = 2//I//%%/%%//c// (úplný kolmý odraz).
==== Polarizace ====
Elektromagnetická vlna je polarizována, pokud její vektor //**E**// stále kmitá v jedné rovině -- v rovině kmitů. Světelné vlny z běžných zdrojů nejsou polarizovány, jsou nepolarizované: jejich polarizace se mění náhodně a rychleji, než můžeme sledovat.
==== Polarizační destičky ====
Když do dráhy světla umístíme polarizační destičku, projde jí pouze světlo polarizované rovnoběžně s jejím směrem polarizace. Složky kolmé ke směru polarizace jsou pohlceny. Světlo pak vychází z destičky s polarizací rovnoběžnou se směrem polarizace destičky.
Pokud je dopadající světlo nepolarizované, je intenzita //I// prošlého světla rovna polovině intenzity světla dopadajícího //I//0:
//I// = //I//0/2.
Pokud je dopadající světlo polarizováno, závisí prošlá intenzita na úhlu //θ// mezi směrem polarizace světla a destičky:
//I// = //I//0 cos²//θ//.
==== Geometrická optika ====
Geometrická optika je přibližná metoda, v níž jsou světelné vlny aproximovány přímkovými světelnými paprsky.
==== Odraz a lom ====
Když světlo dopadá na rozhraní mezi dvěma průhlednými prostředími, dochází obvykle k odrazu a k lomu. Oba paprsky, odražený i lomený, zůstávají v rovině dopadu. Úhel odrazu je roven úhlu dopadu a úhel lomu je s úhlem dopadu spojen vztahem
//n//2 sin //θ//2 = //n//1 sin //θ//1 (lom),
kde //n//1 = //c//%%/%%//v//1 a //n//2 = //c//%%/%%//v//2 jsou indexy lomu prostředí, v nichž se šíří dopadající a lomený paprsek.
==== Úplný odraz ====
Vlna procházející rozhraním, na kterém se index lomu zmenšuje, bude úplně odražena (dojde k totální reflexi) tehdy, jestliže úhel dopadu překročí mezní úhel //θ//m:
//θ//m = arcsin(//n//2%%/%%//n//1) (mezní úhel).
==== Polarizace odrazem ====
Odražená vlna bude úplně polarizována s elektrickou intenzitou //**E**// kolmou k rovině dopadu, jestliže dopadne na rozhraní pod Brewsterovým úhlem //θ//B:
//θ//B = arctg(//n//2%%/%%//n//1) (Brewsterův úhel).
===== Obrazy =====
==== Reálné a virtuální obrazy ====
//Obraz// je reprodukce předmětu vytvořená světlem. Může-li se obraz vytvořit na nějakém povrchu (stínítku), jde o //reálný obraz//, který může existovat i tehdy, není-li přítomen pozorovatel. Jestliže vznik obrazu je podmíněn přítomností zrakové soustavy pozorovatele, jde o //virtuální obraz//.
==== Tvoření obrazu ====
//Kulová zrcadla//, //kulové lámavé povrchy// a //tenké čočky// mohou vytvářet obrazy světelného zdroje -- předmětu změnou směru paprsků vycházejících ze zdroje. Obraz vzniká, jestliže se přesměrované paprsky protínají (při tvoření reálného obrazu), nebo když se protínají zpětně prodloužené paprsky (tvoření virtuálního obrazu). Jsou-li paprsky dostatečně blízké //centrální ose//, platí následující vztahy pro //předmětovou vzdálenost p// (která je kladná) a //obrazovou vzdálenost i// (která je kladná pro reálné obrazy a záporná pro virtuální obrazy):
=== Kulové zrcadlo ===
1%%/%%//p// + 1%%/%%//i// = 1%%/%%//f// = 2%%/%%//r//,
kde //f// je ohnisková vzdálenost zrcadla a //r// je jeho poloměr křivosti. //Rovinné zrcadlo// je zvláštní případ kulového zrcadla, pro něž //r// → ∞, takže //p// = −//i//. Reálné obrazy se tvoří na téže straně zrcadla, kde je umístěn předmět, zatímco virtuální obrazy jsou na opačné straně.
=== Lámavý kulový povrch ===
//n//1%%/%%//p// + //n//2%%/%%//i// = (//n//2 − //n//1)%%/%%//r// (jeden povrch),
kde //n//1 je index lomu prostředí, v němž je umístěn předmět, //n//2 je index lomu na druhé straně lámavého povrchu a //r// je poloměr křivosti povrchu. Je-li předmět před vypuklým lámavým povrchem, je poloměr //r// kladný, je-li předmět před vydutým povrchem, je //r// záporné. Reálný obraz se vytvoří na opačné straně lámavého povrchu, než je předmět, virtuální obraz na téže straně jako předmět.
=== Tenká čočka ===
1%%/%%//p// + 1%%/%%//i// = 1%%/%%//f// = (//n// − 1)(1%%/%%//r//1 − 1%%/%%//r//2),
kde //f// je ohnisková vzdálenost čočky, //n// je index lomu materiálu čočky, //r//1 a //r//2 jsou poloměry křivosti obou stran čočky, což jsou kulové povrchy. Je-li předmět před vypuklým povrchem čočky, je poloměr křivosti kladný, je-li předmět před vydutým povrchem, je poloměr křivosti záporný. Reálné obrazy se vytvářejí na opačné straně čočky, než je předmět, virtuální obrazy na téže straně jako předmět.
==== Příčné zvětšení ====
//Příčné zvětšení m// při zobrazení kulovým zrcadlem nebo čočkou je
//m// = −//i//%%/%%//p//.
Velikost //m// je dána vztahem
%%|%%m| = //h//′%%/%%//h//,
kde //h// a //h//′ jsou výšky (měřené kolmo k centrální ose) předmětu a obrazu.
==== Optické přístroje ====
Tři optické přístroje zvětšující rozsah lidského vidění jsou:
=== Lupa (jednoduchá zvětšovací čočka) ===
jejíž úhlové zvětšení //mθ// je dáno vztahem
//mθ// ≐ 25 cm%%/%%//f//,
kde //f// je ohnisková vzdálenost čočky.
=== Mikroskop ===
jehož celkové zvětšení //M// je
//M// = //mmθ// = −(//s// 25 cm)/(//f//ob //f//ok),
kde //m// je příčné zvětšení objektivu, //mθ// je úhlové zvětšení okuláru, s je délka optického intervalu mikroskopu, //f//ob je ohnisková vzdálenost objektivu a //f//ok je ohnisková vzdálenost okuláru.
=== Dalekohled ===
jehož úhlové zvětšení //mθ// je
//mθ// = −//f//ob%%/%%//f//ok
===== Interference =====
==== Huygensův princip ====
Šíření vln v prostoru, včetně světla, můžeme často určit Huygensovým principem, podle kterého všechny body vlnoplochy slouží jako bodové zdroje kulových sekundárních vln. Po čase //t// bude poloha nové vlnoplochy určena tečnou plochou k těmto sekundárním vlnám.
Zákon lomu a odrazu můžeme odvodit z Huygensova principu pomocí předpokladu, že index lomu každého prostředí je //n// = //c//%%/%%//v//, kde //v// je rychlost světla v prostředí a //c// je rychlost světla ve vakuu.
==== Vlnová délka a index lomu ====
Vlnová délka //λn// světla v prostředí závisí na jeho indexu lomu //n//:
//λn// = //λ//%%/%%//n//,
kde //λ// je vlnová délka světla ve vakuu. Vzhledem k této závislosti se může fázový rozdíl mezi dvěma vlnami změnit, jestliže vlny procházejí různými látkami s odlišnými indexy lomu.
==== Geometrická optika a difrakce ====
Pokusy vytvořit úzký paprsek průchodem světla úzkou štěrbinou selhávají, protože //difrakcí// na štěrbině se světlo rozšíří i do oblasti geometrického stínu. Pro popis chování světla na štěrbině nedostačuje výklad pomocí geometrické optiky a musí se výhradně vycházet z metod vlnové optiky.
==== Youngův pokus ====
Světlo, které v //Youngově interferenčním (dvojštěrbinovém) pokusu// projde jednou štěrbinou, dopadá na dvě štěrbiny ve stínítku. Světlo vycházející z těchto štěrbin se rozbíhá (vlivem difrakce) a v oblasti za stínítkem interferuje. Interferencí vzniknou interferenční proužky na pozorovacím stínítku.
Intenzita světla v kterémkoli bodě stínítka závisí na rozdílu délek drah ze štěrbin k tomuto bodu. Jestliže je tento rozdíl roven celočíselnému násobku vlnových délek, dochází ke konstruktivní interferenci a vzniklá intenzita je maximální. Jestliže je roven lichému násobku poloviny vlnové délky, dochází k destruktivní interferenci a intenzita je minimální. Podmínky pro maximum a minimum intenzity jsou
//d// sin //θ// = //mλ//, když //m// = 0, 1, 2, … (maxima -- světlé proužky),\\
//d// sin //θ// = (//m// + ½)//λ//, když //m// = 0, 1, 2, … (minima -- tmavé proužky),
kde //θ// je úhel šíření světla se středovou osou //o// a //d// je mezera mezi štěrbinami.
==== Koherence ====
Jestliže dvě prostupující se vlny vytvářejí pozorovatelný interferenční obrazec, nemění se s časem jejich fázový rozdíl, tzn. že vlny musí být //koherentní//. Když se dvě koherentní vlny v prostoru překrývají, můžeme nalézt výslednou intenzitu užitím fázorů.
==== Intenzita při interferenci světla ze dvou štěrbin ====
V Youngově interferenčním experimentu dávají dvě vlny, každá o intenzitě //I//0, výslednou vlnu, jejíž intenzita na stínítku je
//I// = 4//I//0 cos²(//φ///2), kde //φ// = (2π//d// sin(//θ//))%%/%%//λ//.
==== Interference na tenké vrstvě ====
Když světlo dopadá na tenkou průhlednou vrstvu, vlny odražené od přední a zadní plochy interferují. Pro případ téměř kolmého dopadu jsou podmínky promaximum aminimum intenzity světla odraženého od vrstvy ve vzduchu
2//h// = (//m// + ½) //λ//%%/%%//n//2, kde //m// = 0, 1, 2, … (maxima -- vrstva ve vzduchu je světlá),\\
2//h// = //mλ//%%/%%//n//2, kde //m// = 0, 1, 2, … (minima -- vrstva ve vzduchu je tmavá),
kde //n//2 je index lomu vrstvy, //h// je její tloušKka a //λ// je vlnová délka světla ve vzduchu.
Jestliže světlo dopadá na rozhraní mezi prostředími o různých indexech lomu z prostředí s nižším indexem lomu, odraz způsobí v odražené vlně fázovou změnu π rad, tj. polovinu vlnové délky. V jiných případech nedochází při odrazu ke změně fáze. Lom na rozhraní nezpůsobí fázové posunutí.
==== Michelsonův interferometr ====
V //Michelsonově interferometru// je světelná vlna rozdělena na dvě vlny, které se po průchodu dráhami o různých délkách opět setkají, takže interferují a vytvářejí obrazec proužků. Změna délky dráhy jedné z vln dovoluje velmi přesně vyjádřit délku ve vlnových délkách světla spočtením proužků, o které se obrazec posune.
===== Difrakce =====
==== Difrakce ====
Dopadají-li vlny na hranu nebo na překážku či otvor, rozšíří se směry šíření těchto vln a dojde k interferenci. Tento jev se nazývá //difrakce//.
==== Difrakce na štěrbině ====
Vlny procházející dlouhou úzkou štěrbinou šířky //a// vytvářejí difrakční obrazec na štěrbině. Ten má centrální maximum a další maxima oddělená minimy. Měříme-li úhly od centrální osy, mají minima úhlovou souřadnici //θ// vyhovující rovnici
//a// sin //θ// = //mλ//, kde //m// = 1, 2, 3, … (minima).
Intenzita difrakčního obrazce pod libovolným úhlem //θ// je
//I// = //I//max %%((%%sin //α//)%%/%%//α//)², kde //α// = π//a//%%/%%//λ// sin //θ//
a //I//max je intenzita ve středu obrazce.
==== Difrakce na kruhovém otvoru ====
Difrakce na kruhovém otvoru nebo čočce o průměru //d// vytváří centrální maximum a soustředná maxima a minima. První minimum je pod úhlem //θ// určeným rovnicí
sin //θ// = 1,22//λ//%%/%%//d// (první minimum; kruhový otvor).
==== Rayleighovo kritérium ====
//Rayleighovo kritérium// říká, že dva objekty jsou na hranici rozlišení, jestliže centrální difrakční maximum jednoho padne do prvního minima druhého. Úhlová vzdálenost objektů musí být alespoň
//θ//R = 1,22//λ//%%/%%//d// (Rayleighovo kritérium),
kde //d// je poloměr apertury.
==== Difrakce na dvojštěrbině ====
Vlny procházející dvěma štěrbinami, z nichž každá má šířku //a// a mezi jejichž středy je vzdálenost //d//, vytvářejí difrakční obrazec. Jeho intenzitu //I// jako funkci úhlu //θ// udává vztah
//I// = //I//max (cos² //β//) %%((%%sin //α//)%%/%%//α//)² (dvojštěrbina),
kde //β// = (π//d//%%/%%//λ//) sin //θ// a //α// má týž význam jako při difrakci na jedné štěrbině.
==== Difrakce na mnoha štěrbinách ====
Difrakce na //N// (mnoha) štěrbinách dává maxima (čáry) pod úhly //θ// určenými rovnicí
//d// sin //θ// = //mλ//, kde //m// = 0, 1, 2, … (maxima)
s pološířkou čar danou výrazem
Δ//θ//½ = //λ///(//Nd// cos //θ//) (pološířka čáry difraktované ve směru //θ//).
==== Difrakční mřížka ====
//Difrakční mřížka// je soustava "štěrbin" používaná k rozložení vlny do složek o různých vlnových délkách tím, že oddělí a roztáhnou difrakční maxima těchto složek. Mřížku charakterizuje její disperze //D// a rozlišovací schopnost //R//:
//D// = Δ//θ///Δ//λ// = //m///(//d// cos //θ//),\\
//R// = //λ//stř/Δ//λ// = //Nm//.
==== Rentgenová difrakce ====
Pravidelné uspořádání atomů v krystalu představuje trojrozměrnou difrakční mřížku pro vlny s krátkou vlnovou délkou, tj. pro rentgenové záření. Pro účely analýzy si můžeme představit, že atomy jsou uspořádány v rovinách smezirovinnou vzdáleností //d//. V důsledku konstruktivní interference mohou vznikat difrakční maxima. Objevují se tehdy, když směr //θ// dopadu vlny měřený od těchto rovin a vlnová délka //λ// záření splňují Braggův zákon:
2//d// sin //θ// = //mλ//, kde //m// = 1, 2, 3, … (Braggův zákon).