Duhový svět - vlnová optika s Bárou Mikuleckou

Stěžejním tématem tohoto sekání byla difrakce a inerference světla.

1. Výroba duhové čokolády

Na výrobu jste každý dostal půl metru čtvercové difrakční folie. Pozor, folie má jednu stranu hladkou a jednu vroubkovanou, při výrobě si je nespleťte. Podrobný popis výroby duhové čokolády najdete v přiloženém pdf. Více podrobností o fázích čokolády pak v odkazu: https://udif.cz/advent/2022/cokoladove

2. Úvodní povídání k difrakci (autor textu Vojtěch Hanák)

V geometrické optice učíme žáky, že světlo se v daném homogenním prostředí šíří přímočaře. Při difrakci dochází ale k ohybu světla a to se dostává i do míst, kde by podle geometrické optiky měl být stín.

Pokud bychom svítili přes malou tenkou štěrbinu, geometrická optika očekává na stěně tenký světlý proužek a kolem tmu. Experiment však dopadne jinak. Na zdi uvidíme několik světlých proužků oddělených tmavými proužky. Budeme-li naši štěrbinu zužovat, stane se něco ještě podivnějšího. Světlé proužky na zdi se začnou naopak rozšiřovat. Tomuto jevu se říká difrakce, ohyb světla a není ho možné vysvětlit jinak, než že budeme na světlo pohlížet jako na vlnu.

Pokud světlo popisujeme jako vlnu, můžeme hovořit o skládání, neboli interferenci, světla. Na mechanické vlně se to představuje snadno. Pokud se potkají dvě vlny v jednom čase a místě, mohou nastat tři mezní situace. Obě vlny budou právě v souhlasné fázi (kopeček), tím pádem se jejich výchylky sečtou a výsledkem bude větší kopeček. Druhá možnost je, že budou obě vlny opět v souhlasné fázi (dolík), opět se sečtou a výsledkem bude hlubší dolík. Třetí možností je, že jedna z vln bude ve fázi kopeček a druhá v dolíku. Pak se jejich výchylky sečtou tak, že výsledkem bude menší kopeček nebo mělký dolík, podle toho, která z vln je větší. V reálném světě může samosebou nastat i všechno mezi tím. Každopádně dvě vlny se mohou sečíst tak, že se posílí, nebo zeslabí. Záleží v jaké fázi se zrovna potkají.
Pak už zbývá jen otázka, ke se vezmou dvě světelné vlny, když svítíme jedním světlem a máme jen jednu štěrbinu. Zde právě Huygensův princip říká, že na každý bod naší malé štěrbiny se máme dívat jako na bodový zdroj nové světelné vlny stejné barvy jako má náš zdroj světla. Když to dáme dohromady dostaneme spousty malinkatých vlnek vedle sebe, které se začnou skládat a k tomu takovýto obrázek.

Ohyb vlnění je tím výraznější, čím je rozměr překážky nebo otvoru lépe srovnatelný s vlnovou délkou vlnění. Pro světlo se tedy difrakce dá dobře pozorovat na velmi jemných strukturách. Vlnová délka viditelného světla je v řádu stovek nanometrů, tedy v desetinách mikrometru. Těžko tedy budeme pozorovat difrakci světla třeba na okenním rámu, ale dobře ji uvidíme například přes tkaninu silonových punčoch.
Difrakce není jev který by se omezoval jen na světlo. U světla nám připadá zvláštní a složitý, ale u jiného vlnění - u zvuku - nás nijak nevyvádí z míry. Zvukové vlny mají vlnové délky v řádech centimetrů až metrů. Proto se zvuk běžně ohýbá i na takových otvorech, jako jsou dveře nebo rohy zdí. Jednoduše řečenou neexistuje akustický stín - zvuk se šíří i za roh. A i na něm můžeme pozorovat, že dlouhé vlnové délky, tedy hluboké tóny, se na velkých překážkách ohýbají snáze. Opět zjednodušeně: za rohem uslyšíte basy, ale neuslyšíte výšky. U vlnění na vodě nás také ohyb za překážku nezaskočí, je ale aspoň vizuálně hezký.

3. Difrakce na běžných předmětech

Difrakci můžeme pozorovat na spoustě běžných předmětů. Abychom difrakci na těchto předmětech viděli, můžeme na ně svítit lasery a nebo ještě jednodušeji pozorovat vzdálený bodový zdroj světla - pouliční lampu nebo ve třídě jednoduše LED.

Nejsnáze dostupné budou pro většinu čtenářů vlasy nebo chlupy na rukou. Ty jsou dost tenké abychom na nich difrakci laseru nebo vzdáleného bodového zdroje světla viděli. Očekáváme tenké dlouhé pruhy světla, keré jsou kolmé na překážku! Na menší, tenčí překážce je difrakce výraznější. Můžeme tak zjistit, zda je silnější vlas, nebo chlup.

Hezkou difrakci nabídne také velké množství různých tkanin. Například gáza, organza, hedvábí, silonky a podobně.

Podrobněji se zastavíme u CD, DVD a BlueRay. Nechejte laserový paprsek odrazit od datového povrchu disku a na zdi pozorujte odražená interferenční maxima. Můžete si všimnout. že maxima jsou u CD blíže a u DVD dále. Na DVD se vejde násobně více dat, struktura datového zápisu je tak mnohem jemnější a jemnější struktura poskytuje výraznější difrakci. Efektní je ukázat difrakci laserového světla na CD a DVD v mírně zakaleném akváriu.

Malou štěrbinu si můžete vyrobit i pomocí tří svých prstů. Tady už nepracujeme s laserem, ale díváme se právě na ony na libovolné bodové zdroje světla, například vzdálené pouliční lampy, LED a podobně. Dáte-li palec, ukazováček a prostředník k sobě, vznikne vám mezi nimi malý trojúhelníkový otvor. Sevřením prstů můžete otvor zmenšovat a pozorovat difrakci na něm. Difrakce si ostatně můžete všimnout už je, když přivřete oči.
Profesionálněji se můžete na difrakci podívat skrze difrakční folii. Můžete ji pořídit ve specializovaných obchodech, spíše však ve větším množství. My ji kupujeme v Edmund Optics ve variantě lineárních vrypů v počtu 500 vrypů na milimetr nebo 1000 vrypů na mm. Můžete ji tedy získat v přeprodeji v malém množství u nás. Případně se s ní můžete potkat na hvězdárnách, kde je součástí difrakčních brýlí. Tam bývá většinou čtvercová mřížka, která není tak moc vhodná na výrobu spektroskopu, ale dělá větší efekty.

3. Výroba spekroskopů

Návodů na výrobu spektroskopů je celá řada. Podrobně zde zmíním čtyři, které mi přijdou z různých důvodů zajímavé. Pěkné povídání o spektroskopii má na svých stránkách například FZU: https://www.fzu.cz/popularizace/materialy-pro-skoly/spektroskop

• Relativně rychlý spektroskop z CD/DVD. Návod na něj najdete po kratičké googlení na internetu. Například zde má Fyzmatik k výrobě i pěkné povídání. https://fyzmatik.pise.cz/668-vyrob-si-spektroskop.html Výrobu této verze doporučuji na domácí práci dětí. Pokud jim dodáte nalámaná CDčka, bez problémů to zvládnou. Výroba je určitě vhodná i pro mladší děti.

• Dřevěný spekroskop z ÚDiFu je právě tou verzí, po které sáhněte, pokud máte prostor v pracovních činnostech. Výhodou dřevěného spektroskopu je jeho odolnost. Dostupný je zde: https://udif.cz/produkt/spektroskop/ a pokud jste k jeho výrobě ztratili návod, je v přiloženém pdf. Na jeho výrobu potřebujete malinkatý kousek difrakční dolie ideálně 500 čar/mm.

• Spektrometr převzatý od Václava Pazdery je ideálním doplňkem pro učitele SŠ. Jeho nespornou výhodou je možnost měření vzdálenosti maxim, případně přímo vlnové délky. Návod Vaška Pazdery najdete opět v odkazu, šablonu jako jpg. Opět se zde využívá difrakční mřížky 500 čar/mm. Stupnici je třeba vytisknout ve správném měřítku, případně ji nakreslit ručně - naštěstí se zde vlnová délka mění lineárně.

• Spektrometr vyrobený pomocí PVC trubky a 3D tisku je asi nejpůsobivější variantou, která vás nadchne pevností, téměř nezničitelností a malou velikostí. Návod na 3D tisk se právě snažím získat Bára Mikulecká - případně se jí ozvěte na email.