繞射

繞射 (Diffraction)
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

所謂繞射是指光在行進過程中，通過小孔或遇到障礙物，造成波動的疊加，形成亮暗相間條紋的現象。繞射的種類依照通過小孔的維度，可分為圓孔繞射(circular aperture diffraction)與單狹縫繞射(single slit diffraction)。依照發明科學家使用不同方法產生的繞射，可以分為布拉格繞射(Bragg diffraction)、夫琅禾費繞射(Fraunhofer diffraction)、菲涅耳繞射(Fresnel diffraction)。

繞射的原理可以由海更士(Huygens)原理來解釋，根據海更士原理，下一個波的行為，可以由此波當作新波源演化而成。因此，當波長愈長、障礙物愈小或小孔與波長接近時，因為相對的波動性顯著，因此容易觀察到繞射現象。若行進波被與波長大小相當或小於波長的物體所阻擋，則行進波會繞過這個物體繼續前進，當行進波遇到與波長大小相當或小於波長的孔時，則會以此孔為中心，形成環型波繼續前進。

楊格(Thomas Young)在1803年第一次以雙狹縫干涉(double slit interference)實驗證實光的波動性，後來也作成單狹縫繞射。楊格的單狹縫實驗，產生的亮暗條紋中，中央亮帶的亮帶寬度是其他亮帶寬度的兩倍，而暗紋間隔則是都相同。而且暗紋間隔與其他亮帶寬度都等於Δy=rλ/b，其中r為狹縫與屏幕的距離，b是狹縫寬度，λ為波長。後來因為這個實驗順利測出光的波長，證實了光的波動性，造成牛頓的粒子說被完全推翻。

由以上繞射公式可以發現：繞射條紋的寬度與波長成正比，因此當入射光為單色光時，繞射圖形也是單一顏色。但當入射光是複合光時，因為各種顏色繞射條紋寬度不相同，因此呈現色散的現象。例如:當太陽光經過單狹縫繞射，因為紫光波長最短，所以第一暗紋最先出現，因此呈現紫光的互補光，外圍出現的顏色也會是相同道理。因此，利用繞射產生色散的現象，也可用來證明光的波動性。

下圖為兩個單狹縫的繞射條紋，可以看到在垂直的兩個方向有兩條暗亮相間的條紋。至於圓孔的繞射條紋，則會形成以圓孔為中心的同心圓。值得注意的是，如果狹縫水平放置，則繞射條紋會成鉛直方向；如果狹縫鉛直放置，則繞射條紋會成水平方向，這是因為繞射條紋會沿著受限制的方向展開，因此會垂直狹縫。

參考資料

http://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction