Do napisania tego tematu natchnęła nas wizyta w Laboratorium dyfraktometrii rentgenowskiej na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH podczas Nocy Naukowców oraz nasza prywatna "tęcza" pojawiająca się często na podłodze w salonie. Zapraszamy do eksperymentów ze światłem!


 
Dyfrakcja i rozszczepienie światła to zjawiska, które można stosunkowo łatwo zaobserwować. Do tego celu wystarczy choćby płyta kompaktowa (stanowiąca przykład tak zwanej odbiciowej siatki dyfrakcyjnej) oraz jakiekolwiek źródło światła białego (słońce, latarka lub lampa). Oczywiście do obserwacji dyfrakcji można też wykorzystać typową transmisyjną siatkę dyfrakcyjną (którą może zastąpić nawet gęsto utkana firanka) i wskaźnik laserowy, a do obserwacji rozszczepienia światła – na przykład prawdziwy pryzmat, w którym następuje dwukrotne załamanie światła. Jest też rozwiązanie dla leniwych – wystarczy poczekać, aż na niebie ukaże się tęcza…
 
Najpierw jednak trochę teorii.
 
Dyfrakcja polega na odchyleniu kierunku rozchodzenia się światła od pierwotnego kierunku, kiedy przechodzi ono przez niewielkie szczeliny, otwory lub natrafia na przeszkody. Z kolei rozszczepienie światła to zjawisko rozdzielenia się fali na składowe o różnej długości (barwie), dające w przypadku światła białego piękne ciągłe widmo optyczne znane choćby z typowej tęczy, w której można wyróżnić siedem kolorów: czerwoną, pomarańczową, żółtą, zieloną, niebieską, indygo i fioletową.
 
Zjawisko dyfrakcji zachodzi dla wszystkich rodzajów fal i dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali. Dlatego do jego zaobserwowania szczególnie dobrze nadają się siatki dyfrakcyjne, posiadających szereg cienkich rowków lub szczelin ewentualnie nieprzeźroczyste paski naniesione na przeźroczystą lub półprzeźroczystą płytkę. Białe światło odbite od siatki lub przechodzące przez nią ugina się tworząc kilka rzędów widma. Nakładanie się ugiętych promieni (interferencja) powoduje powstanie kolorowych pasm. Ich kolejność jest odwrotna niż w widmie otrzymanym za pomocą pryzmatu.
 

Rys. Sposób powstawania widma światła białego w wyniku ugięcia fali (dyfrakcji) na siatce dyfrakcyjnej (źródło: iwiedza.net).
 
Kolory widoczne na płycie kompaktowej to właśnie widmo dyfrakcyjne, które powstaje w wyniku odbicia światła od drobnych nacięć na powierzchni płyty. Dlatego za pomocą płyty kompaktowej lub innej siatki dyfrakcyjnej można zaobserwować zarówno zjawisko dyfrakcji, jak i rozszczepienia światła. Wystarczy spojrzeć w świetle dziennym lub sztucznym na płytę pod odpowiednim kątem bądź skierować światło słoneczne lub z żarówki odbite od płyty na jasną ścianę lub inny ekran.
 
Jeśli zamiast światła białego na płytę kompaktową skierujemy promień światła laserowego (na przykład ze wskaźnika z diodą laserową), nie uzyska się kolorowego widma, tylko wielokrotne ugięcie tego promienia bez zmiany barwy. Zostanie on rozdzielony na kilka promieni o tej samej długości fali, odbitych pod różnymi kątami. Mając do dyspozycji wskaźnik laserowy w podobny sposób można też zaobserwować dyfrakcję światła laserowego na innych siatkach dyfrakcyjnych. Typową siatkę dyfrakcyjną można kupić na przykład w sklepie z pomocami szkolnymi – taka siatka ugina światło laserowe w jednej płaszczyźnie, co daje na ekranie obraz dyfrakcyjny w postaci rzędu kropek. Można też poeksperymentować z podobnymi materiałami, z których najlepiej sprawdza się gęsto utkana firanka, woalka lub inny cienki materiał ze szczelinami lub porami. W przypadku tego typu półprzeźroczystych materiałów tkanych lub plecionych na krzyż ugięcie światła laserowego następuje co najmniej w dwóch płaszczyznach, co daje zwykle krzyżowy układ kropek wyświetlanych na ekranie. Żeby to zaobserwować nie trzeba zresztą posiadać wskaźnika laserowego. Patrząc przez taką firankę na przykład na świecącą się za oknem lampę uliczną powinno być widać obraz dyfrakcyjny światła z tej lampy w postaci szeregu coraz mniejszych świecących plamek tworzących krzyż lub inny regularny wzór zależny od odległości lampy od okna i punktu obserwacji.
 
W przypadku niektórych firanek padające przez nie światło słoneczne może być rozszczepione i utworzyć ciągłe widmo dyfrakcyjne. Taki rodzaj widma przypominającego tęczę obserwujemy czasami w naszym salonie na podłodze, gdy słońce świeci pod odpowiednim kątem przez firankę zasłaniająca drzwi balonowe. Rozszczepienie światła słonecznego na barwy składowe można oczywiście też stosunkowo łatwo uzyskać w warunkach domowych, korzystając z typowej siatki dyfrakcyjnej lub pryzmatu. W przyrodzie zachodzi to na kroplach wody, co powoduje powstanie pojedynczej lub podwójnej tęczy wygiętej w łuk, a w kotłach górskich nawet kulistej. Fakt załamiania się światła w kontakcie z powierzchnią wody może być też wykorzystany w wodnym pryzmacie, do konstrukcji którego wystarczy duże naczynie z wodą i lusterko zanurzone w niej pod odpowiednim kątem.
 
Zdjęcia prezentujące zasygnalizowane tutaj doświadczenia można podglądnąć w Pracach i Galerii. Zachęcamy też wszystkich do zamieszczania własnych zdjęć, stanowiących efekty waszych eksperymentów ze światłem lub sfotografowanej przez was tęczy widocznej na tle nieba, gór, wodospadów lub fontann, a może jeszcze w innych niecodziennych sytuacjach?
 
Zapraszamy też do wzięcia udziału w dyskusji i quizie oraz rozwiązania krzyżówki poświęconej właściwościom światła i zjawiskom optycznym, a także do zapoznania się z dodatkowymi artykułami i wypowiedziami zamieszczonymi w tym temacie.
 
Warto też zaglądnąć do innych tematów związanych ze światłem:
- Jak powstaje światło elektryczne?
- Czy światło może być ostre jak brzytwa?
- Co to jest światłowód?
- Jak można nieźle zamieszać ...kolorami?
- Co można zobaczyć w krzywym zwierciadle?
- Czy można wpaść w dziurę ozonową?
- Jak działa szkło powiększające?
- Dlaczego szkło i woda są przezroczyste?