V tmavé místnosti s dobrým zdrojem světla přilože ruku blízko ke stěně a uvidíte ostrý stín. Dejte ruku o něco dál od svěny a obrysy stínu budou rozmazané. Je to způsobeno ohybem světla kolem vaší ruky.
Přímočaré šíření světla je ovlivněno překážkami, na které světlo při svém šíření dopadá. Za takovými překážkami vzniká nejen stín, ale za určitých okolností daných vlnovou délkou vlnění a rozměry překážky může vlnění proniknout zčásti i za překážku. Tento jev se nazývá ohyb světla neboli difrakce. Tento jev je podmíněn vlnovými vlastnostmi světla. Jejich důsledkem je odlišné šíření světla, než by odpovídalo přímočarému šíření světla. Ohyb se projevuje tak, že po dopadu na okraj překážky se světlo šíří i za překážku, do oblasti geometrického stínu, tzn. do prostoru, kam by na základě přímočarého šíření nemělo nikdy proniknout. Hranice světla a stínu pak není zcela ostrá. Přesvědčit se o tom můžeme tak, že budeme pozorovat např. vlákno žárovky skrz velmi malý.
Ohybový obrazec.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Na předchozím obrázku je ohyb světla vzniklý na velmi úzké štěrbině. Na obrázku jsou patrné světlé a tmavé proužky různé šířky, které tvoří charakteristický ohybový (difrakční) obrazec. Je to výsledek interference světelných vlnění, která do daného místa stínítka přicházejí z různých bodů vlnoplochy světla šířícího se za překážku.
Vznik ohybového obrazce na štěrbině.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Rozložení maxim a minim v ohybovém obrazci závisí jednak na šířce štěrbiny, jednak na vlnové délce světla. Čím je při určité vlnové délce štěrbina užší, tím větší je vzdálenost mezi interferenčními minimy a světlý proužek je širší. Také platí, že čím je menší vlnová délka světla, tím jsou světlé proužky v ohybovém obrazci užší.
Vzhledem k vlnové délce světla jsou ohybové jevy výrazné při ohybu na překážkách malých rozměrů nebo když je pozorujeme v dostatečné vzdálenosti za překážkou. Příkladem může být ohyb světla na drátku, úzké štěrbině, malém otvoru, na hraně apod. Při ohybu na tenkém drátku dostaneme střední proužek tmavý (geometrický stín), který však bude mít uprostřed jasný pás. Okolo středního proužku se střídají tmavé a světlé proužky. Použijeme–li místo monochromatického světla světlo bílé, proužky budou barevné.
Vznik ohybového obrazce na hraně.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Poprvé se o difrakci zmínil Leonardo da Vinci. První přesnější pozorování difrakce světla na tyčince a mřížce provedl kolem roku 1660 Francesco Maria Grimaldi, učitel matematiky na jezuitské koleji v Bologni. Od něj pochází název difrakce. Do zatemněné místnosti pouštěl malým kruhovým otvorem sluneční světlo, do světelného kužele stavěl různé předměty a na protější stěně pozoroval jejich stíny. Zjistil, že jsou neostré, ohraničené barevnými proužky. Jemné proužky se objevovaly i uvnitř stínu. Úkazy popsal v knize Fyzika světla, barev a duhy, která vyšla dva roky po jeho smrti, v roce 1665. Až v roce 1818 se Augustinu Fresnelovi podařilo ukázat, že vznik difrakce je možné popsat pomocí Huygensova principu vlnění a Youngova principu interference. Proto se tento princip platný pro jakékoli vlnění označuje Huygens–Fresnelův princip. Jím popsané difrakční jevy se dnes označují jako Fresnelovy ohybové jevy. Jestliže do předchozího pokusu přidáme čočky, pak získáme tzv. Fraunhoferovy ohybové jevy pojmenované podle německého fyzika Josepha Fraunhofera. Zjednodušeně můžeme říct, že Fraunhoferova difrakce vzniká ze vzdáleného zdroje – tedy z rovinný vlnoploch, které vytváří pravidelné světlé a tmavé kroužky. Díky Fraunhoferově difrakci na dvou obdélníkových otvorech byla poprvé změřena vlnová délka světla. Fresnelova difrakce vzniká z blízkého zdroje – tedy z kulových vlnoploch, které vytváří nepravidelně šiřoké světlé a tmavé kroužky. Představit si ho můžeme na cibuli. Jednotlivé vrstvy cibule jsou jednotlivé vlnoplochy. Když cibuli odkrojíme, tak vzniknou uprostřed širší a na kraji tenší proužky.
Fraunhoverova (vlevo) a fresnelova (vpravo) digrakce.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Pozorujte ohybové obrazce sami pomocí laserového ukazovátka upevněného v laboratorním stojanu. Laserový paprsek namiřte na bílé matové stínítko (plátno) ve vzdálenosti 4,5 m od laseru. Do vzdálenosti 2 m od laseru umístěte clonu s kruhovým otvorem průměru 1 mm. Na stínítku se zobrazil zářivý kruhový terč o průměru asi 4 mm a kolem něho soustředné světlé a tmavé kroužky maxim a minim široké přibližně 1 mm. Podobně můžete pozorovat ohyb světla na drátku nebo tkanině.
O více než půlstoletí přidal Gustav Kirchhoff k Fresnelovým pozorováním jednoduchý matematický základ. V roce 1895 se Arnoldu Sommerfeldovi podařilo poprvé matematicky vyřešit ohyb rovinné vlny na přímočarém okraji nepropustné poloroviny. Do dnešní doby byla nalezena jednoduchá řešení pouze u několika difrakčních úloh, týkajících se především dvojrozměrných struktur.
Pokud dáme na sebe dva proužky tkané látky (třeba hedvábné šátky) a budeme je pozorovat proti světlu, tak uvidíme světlo a tmavé pruhy vzniklé ohybem na vláknech. Pokud budeme s šátky otáčet, oko zaznamená řadu světlých a tmavých oblastí pohybujících se napříč materiálem. Tento jev se nazývá moiré.
