اگر در مسیر پیشروی یک موج مانعی قرار دهیم بخشی از موج که به مانع برخورد می کند، توسط مانع بازتاب و یا جذب می شود و به پشت مانع نمی رسد و بخشی دیگر، از لبه های مانع یا شکاف های موجود در آن، می گذرد. در صورتی که ابعاد مانع یا شکاف در حدود طول موج باشد، بخشی از موج که از لبه ها یا شکاف ها عبور می کند، به وضوح به اطراف مانع یا شکاف گسترده می شود. به این پدیده پراش گویند.
پراش چیست؟
پراش نیز مانند بازتاب و شکست از ویژگی های موج است. یک جبهه موج نور را در نظر بگیرید که از سمت چپ به راست حرکت می کند. این جبهه به سمت مانعی می رود که روزنه ای در آن قرار دارد که نور فقط می تواند از آن روزنه عبور کند. اگر روزنه به اندازه کافی بزرگ باشد، جبهه موج تقریبا به صورت تخت از روزنه خارج می شود. در شکل زیراندازه شکاف، a=6λ می باشد. همانطور که در مشخص است، اطراف شکاف، انحنای کمی پیدا می کند.
اما وقتی روزنه کوچکتر می شود، می بینیم که جبهه های موج بعد از عبور از روزنه، انحنای بیشتری پیدا می کند. در شکل زیر اندازه شکاف، a=3λ است.
و شکل زیر، a=1.5λ یعنی در حدود اندازه طول موج است و می بینید که جبهه ها از حالت تخت خارج شده و به اطراف شکاف گسترده می شوند.
پراش همین گستردگی جبهه موج نور پس از عبور از شکافی به ابعادی از مرتبه طول موج است.
چرایی پدیده پراش
حال چرا جبهه موج خمیده می شود و به صورت مستقیم و صاف از شکاف عبور نمی کند؟
هویگنس در توجیه این پدیده گفت که هر نقطه در جبهه موج، مانند یک منبع کوچک موج کروی رفتار می کند. یعنی هر نقطه، یک موج کروی ایجاد می کند که در تمام جهات با سرعت برابر از این نقطه دور می شود. مانند شکل زیر:
برآیند این موج های کروی برای تمام نقاط جبهه موج، شکل جبهه موج را می سازد. حال جبهه موج را پس از عبور از روزنه در نظر بگیرید. بخشی از موج توسط مانع جذب می شود و بخشی از آن عبور می کند. با رسم موج های کروی برای قسمت عبور کرده به شکلی مانند شکل زیر می رسیم:
که در نتیجه پس از عبور از شکاف، جبهه های موج به صورت زیر در می آیند. اگر شکاف باریک تر باشد، مانند شکل سمت راست، انحنا بیشتر می شود.
پراش فقط در عبور از شکاف رخ نمی دهد بلکه هنگام عبور موج از لبه های مانعی که ابعاد آن در حدود طول موجِ موج باشد نیز اتفاق می افتد. در شکل زیر پراش نوری تکفام که از لبه های تیز درون و بیرون یک تیغ ایجاد شده است، را مشاهده می کنید.
همانطور که در شکل های زیر مشاهده می شود، اگر پراش را روی یک پرده مشاهده کنیم، نوارهای تاریک و روشنی را مشاهده می کنیم که به آن نقش پراش می گویند. نقش پراش را می توان با تحلیل شدت موج، که در بحث تداخل امواج بیان می شود، توجیه کرد.
برای درک بهتر پدیده پراش، قسمت آزمایش یانگ جزوه تداخل امواج را مشاهده کنید.
مثال ها
مثال ۱: گوشی های همراه با امواج رادیویی با بسامد حدود ۲GHz کار می کنند. توضیح دهید این امواج تحت چه شرایطی از موانع پراشیده می شوند و به منطقه سایه مانع می رسند؟
پاسخ:
شرط پراش این است که ابعاد مانع یا روزنه از مرتبه طول موج موج عبوری باشند بنابر این باید طول موج مربوط به این موج را به دست آوریم:
بنابر این موانعی با ابعادی در مرتبه ۱۵ سانتی متر می توانند این موج را پراشیده کنند.
مثال ۲: در تلویزیون های متداول، سیگنال ها از آنتن های روی دکل ها به گیرنده های تلویزیون فرستاده می شود. حتی وقتی گیرنده به دلیل وجود یک تپه یا ساختمان در معرض ارسال مستقیم امواج یک آنتن نباشد، همچنان سیگنال را به دلیل پراش امواج از لبه های مانع دریافت خواهد کرد (اگر سیگنال در اطراف آن مانع به حد کافی به داخل ناحیه سایه مانع پراشیده شود). سابق بر این، طول موج سیگنال های تلویزیونی در حدود ۵۰ سانتی متر بود، ولی طول موج سیگنال های تلویزیونی دیجیتالی که امروزه از آنتن ها فرستاده می شود بسیار کمتر است. آیا این تغییر طول موج، پراش سیگنال ها به داخل ناحیه سایه را افزایش می دهد یا کاهش؟
پاسخ :
چون ابعاد مانع ثابت مانده و طول موج کاهش پیدا کرده است، پس سایه بزرگتر شده و پراش به داخل ناحیه سایه کاهش می یابد. یعنی دور زدن مانع بسیار دشوارتر می شود.
در شکل زیر می توانید پراش را در موج های سطح آب دریا که از یک مسیر بین صخره ها عبور می کنند، مشاهده کنید.
ویدیو آموزشی پراش
در این ویدیوی آموزشی به چگونگی ایجاد پراش توسط استاد مصطفی کبیری پرداخته می شود. همچنین کاربردهای آن در فرستادن امواج رادیویی و تلویزیون و اثرات آن بر روی تصاویر میکروسکوپ و تلسکوپ توضیح داده می شود.
مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات
دانلود نسخه PDF جزوه
8 دیدگاه دربارهٔ «پراش»
توضیحات خوب و جامعی در مورد پراش داشتید. من استفاده کردم. نکته ای که توجهم را جلب کرد تصویر ورود آب از یک بریدگی به بیرون بود که بنظرم بیشتر نمایانگر اصل هویگنس است تا پراش. بهتر است عوض شود.
سپاس از توجه شما
عالی بود مخصوصا اون قسمت چرایی پراش. کمتر کسایی به علت و مفهوم پراش توج دارن. عکس عبور موج از شکاف صخره هم خیلی قشنگ بود.ممنونم
سپاس
تو بخش مثال دو نوشتید کاهش طول موج پراش به داخل ناحیه سیاه رو کاهش میده
ولی تو مثال سه گفتید طول موج امواج تلویزیونی دیجیتال کمتره و بیشتر پراشیده میشه
فک کنم تو مثال سه به جای بیشتر باید بنویسید کمتر
بله درست می فرمایید. اصلاح شد.
عالی بود. ممنون از توضیحات کامل تون
سپاس. موفق باشید