Под дифракцией света понимают всякое уклонение от прямолинейного распространения света, если оно не может быть истолковано как результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления.

Дифракцию света открыл итальянский ученый-иезуит Франческо Гримальди. Он же ввел термин дифракция (от лат. diffractus − разломанный). В его работе, вышедшей в 1665 г., описано явление дифракции и впервые сделано предположение о волновой природе света.

Если отвлечься от волновой природы света, то, описывая дифракцию, можно говорить о лучах. Экран в пучке параллельных лучей должен привести к образованию резкой границы между тенью и освещенной областью. Наблюдаемое в эксперименте распределение интенсивности оказывается более сложным.

Пусть плоская волна, распространяющаяся в положительном направлении оси z, падает на тонкий металлический экран. Начало координат находится на верхнем крае экрана, расположенного в нижней полуплоскости xy (x<0) (рисунок 1).

На рисунке изображены линии, касательные к которым представляют собой средние значения вектора потока электромагнитной энергии в плоскости y=const, при падении линейно-поляризованной волны с вектором В, параллельным краю экрана. Густота линий пропорциональна величине потока энергии. Очевидно волна «затекает» в область геометрической тени. На рисунке 2 приведен график освещенности в координатах , где − интенсивность света в точке P(x,0,z), J₀ − интенсивность света в отсутствии экрана.

Для того чтобы понять поведение функции заметим, что аргумент v можно представить в виде где − радиус первой зоны Френеля для детектора, расположенного на расстоянии z от волнового фронта плоской волны. При значениях λ = 694.3 нм, z=z_n, z_n=2,5м величина R₁=1,32мм. Если x >> R₁, то детектор находится в области прямолинейного распространения света − экран не перекрывает первую зону Френеля и дифракция не проявляется. Если x < R₁, то экран перекрывает часть первой зоны Френеля и проявляется дифракция света.

Интенсивность максимальна не на границе геометрической тени при x=0, а в освещенной области при v_m = 1,2. Первый максимум интенсивности находится на расстоянии x_m=1,2мм от края экрана. Первый минимум освещенности наблюдается при v = 1.85. В освещенности области при фиксированном z=z₀ интенсивность (x, z₀) имеет ряд максимумов и минимумов вблизи значения J₀. край освещенной области расщепляется в дифракционные полосы заметные в области x<10R₁, включающей несколько первых зон Френеля.

Это явление, обусловленное нарушением закона прямолинейного распространения света, называют в примитивном смысле дифракцией света. В современной физике дифракцией называют процесс распространения электромагнитной волны в пространстве, содержащем какие-либо тела. Электромагнитное поле подающей волны создает в веществе переменную плотность распределения электронов атомов, генерирующих вторичную световую волну. При интерференции первичной и вторичной волн формируется поле, отличающееся от поля падающей волны. Это и есть дифракция. Основная задача теории − определение напряженности электрического и магнитного полей в произвольной точке пространства. Впервые точное решении задачи о дифракции плоской волны, падающей на край экрана, получено в 1894 г. Немецким физиком-теоретиком А. Зоммерфельдом.
 

Дифракционные явления были хорошо известны ещё во времена Ньютона, но объяснить их на основе господствовавшей в то время корпускулярной теории света оказалось невозможным. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом. Независимо от него французский ученый О. Френель развил количественную теорию дифракционных явлений (1818 г.). В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Подтверждение теории Френеля на опыте явились одним из основных доказательств волновой природы света. В настоящее время это теория носит название принцип Гюйгенса–Френеля и в ряде практически важных случаев решение дифракционных задач на основе этого принципа даёт достаточно хороший результат.

Дифракция волны наблюдается независимо от природы волны и может проявляться:

- в преобразовании её пространственной структуры. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волной препятствия, в других случаях − как расширение угла распространения волнового пучка или отклонение волнового пучка в определенном направлении;

- в разложении волны по её частотному спектру;

- в преобразовании поляризации волны;

- в изменении фазовой структуры волны.

Дифракция рентгеновского излучения дает важную информацию о твердых телах − их атомной структуре и форме кристаллов, а также о жидкостях, аморфных телах и больших молекулах. Дифракционный метод применяется также для точного (с погрешностью менее 10-5) определения межатомных расстояний, выявления напряжений и дефектов и для определения ориентации монокристаллов. По дифракционной картине можно идентифицировать неизвестные материалы, а также обнаружить присутствие в образце примесей и определить их. Значение рентгеновского дифракционного метода для прогресса современной физики трудно переоценить, поскольку современное понимание свойств материи основано в конечном счете на данных о расположении атомов в различных химических соединениях, о характере связей между ними и о дефектах структуры. Главным инструментом получения этой информации является дифракционный рентгеновский метод. Рентгеновская дифракционная кристаллография крайне важна для определения структур сложных больших молекул, таких, как молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) − генетического материала живых организмов. Сразу после открытия рентгеновского излучения научный и медицинский интерес был сконцентрирован как на способности этого излучения проникать сквозь тела, так и на его природе. Эксперименты по дифракции рентгеновского излучения на щелях и дифракционных решетках показывали, что оно относится к электромагнитному излучению и имеет длину волны порядка 10-8-10-9 см. Еще раньше ученые, в частности У.Барлоу, догадывались, что правильная и симметричная форма естественных кристаллов обусловлена упорядоченным размещением атомов, образующих кристалл. В некоторых случаях Барлоу удалось правильно предсказать структуру кристалла. Величина предсказываемых межатомных расстояний составляла 10-8 см. То, что межатомные расстояния оказались порядка длины волны рентгеновского излучения, в принципе позволяло наблюдать их дифракцию. В результате возник замысел одного из самых важных экспериментов в истории физики. М.Лауэ организовал экспериментальную проверку этой идеи, которую провели его коллеги В.Фридрих и П.Книппинг. В 1912 они втроем опубликовали свою работу о результатах дифракции рентгеновского излучения. Принципы дифракции рентгеновского излучения. Чтобы понять явление дифракции рентгеновского излучения, нужно рассмотреть по порядку: во-первых, спектр рентгеновского излучения, во-вторых, природу кристаллической структуры и, в-третьих, само явление дифракции. Как уже говорилось выше, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий спектральных линий высокой степени монохроматичности, определяемых материалом анода. С помощью фильтров можно выделить наиболее интенсивные из них. Поэтому, выбрав соответствующим образом материал анода, можно получить источник почти монохроматического излучения с очень точно определенным значением длины волны. Длины волн характеристического излучения обычно лежат в диапазоне от 2,285 для хрома до 0,558 для серебра (значения для различных элементов известны с точностью до шести значащих цифр).

Характеристический спектр накладывается на непрерывный "белый" спектр значительно меньшей интенсивности, обусловленный торможением в аноде падающих электронов. Таким образом, от каждого анода можно получить два типа излучения: характеристическое и тормозное, каждое из которых играет по-своему важную роль. Атомы в кристаллической структуре располагаются с правильной периодичностью, образуя последовательность одинаковых ячеек - пространственную решетку. Некоторые решетки (например, для большинства обычных металлов) довольно просты, а другие (например, для молекул белков) весьма сложны. Для кристаллической структуры характерно следующее: если от некоторой заданной точки одной ячейки сместиться к соответствующей точке соседней ячейки, то обнаружится точно такое же атомное окружение. И если некоторый атом расположен в той или иной точке одной ячейки, то в эквивалентной ей точке любой соседней ячейки будет находиться такой же атом. Этот принцип строго справедлив для совершенного, идеально упорядоченного кристалла. Однако многие кристаллы (например, металлические твердые растворы) являются в той или иной степени неупорядоченными, то есть кристаллографически эквивалентные места могут быть заняты разными атомами. В этих случаях определяется не положение каждого атома, а лишь положение атома, "статистически усредненного" по большому количеству частиц (или ячеек). Дифракция рентгеновского излучения − это коллективное явление рассеяния, при котором роль отверстий и центров рассеяния играют периодически расположенные атомы кристаллической структуры. Взаимное усиление их изображений при определенных углах дает дифракционную картину, аналогичную той, которая возникла бы при дифракции света на трехмерной дифракционной решетке. Рассеяние происходит благодаря взаимодействию падающего рентгеновского излучения с электронами в кристалле. Вследствие того, что длина волны рентгеновского излучения того же порядка, что и размеры атома, длина волны рассеянного рентгеновского излучения та же, что и падающего. Этот процесс является результатом вынужденных колебаний электронов под действием падающего рентгеновского излучения.