波的衍射

只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現象.（但也不能比波長小太多，當孔的寬度為波長的大約3/10時波的衍射現象已經不明顯--與能量有關，能量會在傳播過程中轉化為內能或勢能）

相對於波長而言，障礙物的線度越大衍射現象越不明顯，障礙物的線度越小衍射現象越明顯。

説明：

①障礙物或孔的尺寸大小，並不是決定衍射能否發生的條件，僅是使衍射現象明顯表現的條件.一般情況下，波長較大的波容易產生顯著的衍射現象.【衍射（干涉）是波的特有現象，是驗證波的重要方法】

②波傳到小孔(或障礙物)時，小孔處(或障礙處)的波看作一個新的波源（惠更斯原理），由它發出與原來同頻率的波(稱為子波)在孔後的傳播，於是就出現了波線偏離原波線傳播方向的衍射現象.

③當孔的尺寸遠小於波長時儘管衍射十分突出，但由於能量減弱，衍射現象不容易觀察到。 ^[2] 

水波、聲波、光波都能發生衍射現象。如：“波光粼粼”“隔牆有耳”“雙縫干涉”。衍射現象裏有一個著名的故事，泊松亮斑。泊松是光的波動説的反對者，泊松根據菲涅耳的計算結果，得出在一個圓片的陰影中心應當出現一個亮點，這是令人難以相信的，過去也從沒看到過，因此泊松認為這個計算結果足夠證明光的波動説是荒謬的。但是恰巧，菲涅耳試驗中看到了這個亮斑，這樣，泊松的計算反而支持了光的波動説。過了不久，菲涅耳又用複雜的的理論計算表明，當這個圓片的半徑很小時，這個亮點才比較明顯。經過實驗驗證，果真如此。菲涅耳榮獲了這一屆的科學獎，而後人卻戲劇性地稱這個亮點為泊松亮斑。

衍射最早是由弗朗西斯科·格里馬第（Francesco Grimaldi）於1665年發現並加以描述，他也是“衍射”一詞的創始人。這個詞源於拉丁語詞彙diffringere，意為“成為碎片”，即波原來的傳播方向被“打碎”、彎散至不同的方向。格里馬第觀察到的現象直到1665年才被髮表，這時他已經去世。他提出光不僅會沿直線傳播、折射和反射，還能夠以第四種方式傳播，即通過衍射的形式傳播。

英國科學家艾薩克·牛頓對這些現象進行了研究，他認為光線發生了彎曲，並認為光是由粒子構成。在19世紀以前，光的粒子説在很長一段時間佔有主流位置。這樣的情況直到19世紀幾項理論和實驗結果的發表，才得以改變。1803年，托馬斯·楊進行了一項非常著名的實驗，這項實驗展示了兩條緊密相鄰的狹縫造成的干涉現象，後人稱之為“雙縫實驗”。在這個實驗中，一束光照射到具有緊挨的兩條狹縫的遮光擋板上，當光穿過狹縫並照射到擋板後面的觀察屏上，可以產生明暗相間的條紋。他把這歸因於光束通過兩條狹縫後衍射產生的干涉現象，並進一步推測光一定具有波動的性質。奧古斯丁·菲涅耳則對衍射做了更多的計算研究，他的結果分別於1815年和1818年被髮表，他提到“這樣，我就展示了人們能夠通過何種方式來構想光以球面波連續不斷地傳播出去”。

法國科學院曾經舉辦了一個關於衍射問題的有獎辯論會，菲涅耳贏得了這次辯論。作為反對光波動學説的其中一位，西莫恩·德尼·泊松提出，如果菲涅耳聲稱的結論是正確的，那麼當光射向一個球的時候，將會在球后面陰影區域的中心找到亮斑。結果，評審委員會安排了上述實驗，並發現了位於陰影區域中心的亮斑（它後來被稱作泊松光斑）。這個發現極大地支持了菲涅耳的理論。他的研究為克里斯蒂安·惠更斯發展的光的波動理論提供了很大的支持。他與楊的理論共同反駁了牛頓關於光是粒子的理論。

在對衍射現象的探索過程中，人們也不斷積累了對於衍射光柵的認識。17世紀，蘇格蘭數學家、天文學家詹姆斯·格雷戈裏（James Gregory）在鳥的羽毛縫間觀察到了陽光的衍射現象。他是第一個發現衍射光柵原理的科學家。在1673年5月13日他寫給約翰·科林斯（John Colins）的一封信中提到了此發現。；1786年，美國天文學家戴維·裏滕豪斯用螺絲和細線第一次人工製成了衍射光柵，細線的密度達到每英寸100線，他用這個裝置成功地看到了陽光的衍射。1821年，約瑟夫·夫琅禾費利用相似的裝置（每釐米127線）證明了托馬斯·楊關於衍射的公式（參見段落下方），並對衍射進行了許多重要研究。1867年，劉易斯·盧瑟福（Lewis Morris Rutherfurd）採用水輪機作為動力進行刻線、製作光柵。後來的亨利·奧古斯塔斯·羅蘭 改良了光柵的刻劃技術，並在1882年發明了在凹形球面鏡上進行刻劃的凹面光柵。其後的羅伯特·伍德（Robert William Wood）改進了光柵的刻劃形狀，從而提高了光柵的衍射效率。近代的阿爾伯特·邁克耳孫提出利用干涉伺服系統控制光柵的刻劃過程，於1948年實現了這一想法。20世紀下半葉，由於激光、光刻膠等新技術的出現，光柵製造技術取得很大的進步，製造成本顯著降低，製造週期也得以縮短。

如果採用單色平行光，則衍射後將產生干涉結果。相干波在空間某處相遇後，因位相不同，相互之間產生干涉作用，引起相互加強或減弱的物理現象。 衍射的結果是產生明暗相間的衍射花紋，代表着衍射方向（角度）和強度。根據衍射花紋可以反過來推測光源和光柵的情況。 為了使光能產生明顯的偏向，必須使“光柵間隔”具有與光的波長相同的數量級。用於可見光譜的光柵每毫米要刻有約500條線 。

1912年，勞厄想到，如果晶體中的原子排列是有規則的，那麼晶體可以當作是X射線的三維衍射光柵。X射線波長的數量級是10^-8cm,這與固體中的原子間距大致相同。果然試驗取得了成功，這就是最早的X射線衍射。 顯然，在X射線一定的情況下，根據衍射的花樣可以分析晶體的性質。但為此必須事先建立X射線衍射的方向和強度與晶體結構之間的對應關係。 ^[2] 

可以通過雙縫干涉實驗來測定波的波長，可以應用晶體衍射研究晶體的原子分佈。電子顯微鏡之所以能夠使我們看到更微小的世界也運用了衍射原理。當然，是要減小衍射現象。德布洛意波（物質波）要比光波的波長更短，因此，要發生明顯的衍射現象就需要更小的“孔”，而這些“孔”對於光波來説太小了，其干涉現象會使得清晰度大大降低，這就是為什麼電子顯微鏡比光學顯微鏡更厲害。 ^[2]