Difraksi Cahaya pada Celah Tunggal

Jika kita memancarkan cahaya melalui celah yang sempit ke dinding, kita mungkin menjangkakan satu jalur terang yang sama lebar dengan celah itu. Apabila celah itu cukup sempit, hasilnya berbeza. Jalur terang di tengah menjadi lebih lebar daripada celah, dan di kiri serta kanannya muncul jalur terang yang lebih malap, dipisahkan oleh jalur gelap. Fenomena ini dipanggil difraksi, atau pembelauan dalam sesetengah buku teks.

Mengapa jalur gelap muncul

Prinsip Huygens, yang dikembangkan oleh Fresnel, menganggap setiap titik pada celah sebagai sumber gelombang kecil. Gelombang kecil ini sampai ke satu titik pada skrin melalui laluan yang panjangnya sedikit berbeza, jadi ia tiba dengan fasa yang berbeza. Di tengah skrin, kebanyakan gelombang tiba hampir sefasa dan menguatkan satu sama lain, maka terbentuk jalur terang yang paling cerah. Pada sudut tertentu, gelombang daripada separuh atas celah dipadankan dengan gelombang daripada separuh bawah yang tiba dengan beza setengah panjang gelombang, lalu saling membatalkan (interferens memusnah), dan terbentuk jalur gelap.

Jalur gelap pertama berlaku pada sudut θ yang memenuhi a sin θ = λ, dengan a ialah lebar celah dan λ ialah panjang gelombang. Jalur gelap seterusnya berlaku apabila a sin θ = 2λ, 3λ dan seterusnya. Jalur terang di sisi terletak di antara jalur gelap, dan setiap satunya lebih malap daripada jalur di tengah. Jalur terang sisi yang pertama hanya mempunyai kira-kira lima peratus keamatan jalur tengah, dan lebar jalur tengah kira-kira dua kali lebar jalur terang di sisi.

Celah lebih sempit, corak lebih lebar

Hubungan a sin θ = λ bermaksud sudut jalur gelap pertama bertambah apabila celah dikecilkan, dan juga apabila panjang gelombang bertambah. Untuk sudut yang kecil, lebar jalur terang tengah pada skrin kira-kira 2λL/a, dengan L ialah jarak dari celah ke skrin. Sebagai contoh anggaran, cahaya merah berpanjang gelombang 650 nanometer yang melalui celah selebar 0.1 milimeter membentuk jalur tengah selebar kira-kira 2.6 sentimeter pada skrin sejauh 2 meter. Jika celah dikecilkan separuh, lebar corak menjadi dua kali ganda. Cahaya merah juga menghasilkan corak yang lebih lebar daripada cahaya biru kerana panjang gelombangnya lebih besar.

Difraksi berlaku pada celah dengan sebarang lebar, tetapi corak mudah dilihat apabila celah cukup sempit atau skrin cukup jauh, kerana lebar corak bertambah dengan jarak ke skrin dan berkurang dengan lebar celah. Cahaya tampak mempunyai panjang gelombang sekitar 400 hingga 700 nanometer, jadi celah selebar sepersepuluh milimeter, iaitu lebih seratus kali panjang gelombang, pun sudah menghasilkan corak yang jelas pada skrin sejauh beberapa meter.

Sejarah penemuan

Pada abad ke-17, Francesco Maria Grimaldi memerhatikan bahawa tepi bayang-bayang tidak setajam yang dijangkakan, dan menamakan kesan itu diffractio. Pada masa itu, ramai saintis berpegang pada idea bahawa cahaya terdiri daripada zarah. Pada awal abad ke-19, Thomas Young menunjukkan kesan interferens cahaya melalui eksperimen dengan celah yang sempit, dan Augustin-Jean Fresnel membangunkan teori gelombang yang boleh meramalkan corak difraksi secara kuantitatif. Hasil kerja mereka menjadikan model gelombang bagi cahaya diterima secara meluas.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?