עקיפה

עֲקִיפָה (בלועזית: דִּיפְרַקְצְיָה) היא תופעה פיזיקלית המתרחשת כל אימת שגל פוגע בעצם כלשהו. אם העצם קטן (יחסית לאורך הגל) הגל מתקדם סביבו, ואם מדובר במחסום בעל מפתח קטן, הגל מתפזר בעברו השני של המחסום. ניתן לתאר את התופעה כיצירת גל חדש על שפת המחסום שעוצמתו תלויה במידת ההחזרה או ההעברה של המחסום. כתוצאה מכך מגיע הגל גם לאזורים שמעבר למחסום, אזורים שבהם לפי אופטיקה גאומטרית לא מגיעות קרניים הנעות בקווים ישרים.

תבנית העקיפה
תבנית עקיפה היא התפלגות משרעת הגל במרחב לאחר שעבר מחסום. חישובה מבוסס על עקרון הויגנס, לפיו ניתן להתייחס לכל נקודה בחזית גל כמקור נקודתי של גל חדש: כל נקודה שמופרעת על ידי מעבר של גל דרכה הופכת למקור של גל כדורי, וההתאבכות של כל הגלים הכדוריים היא הגל הכולל המתקדם במרחב. גל שפוגע במחסום זהה לגל שנוצר על ידי אוסף של מקורות נקודתיים שעוצמת כל אחד מהם תלויה במקדם ההעברה של החומר ממנו עשוי המחסום באותה נקודה. התבנית הנוצרת על מסך שניצב בעברו האחר של המחסום היא התאבכות של כל המקורות הללו, ועוצמתה מקסימלית כאשר מקורות רבים נמצאים הפרש מופע קטן. חישוב זה הוא מסובך למדי, ותבנית העקיפה לרוב מחושבת תחת שני קירובים נפוצים: עקיפת פראונהופר היא תוצאת עקיפה במרחק גדול מאוד מהמחסום, אזור הנקרא שדה רחוק. בקירוב זה תבנית העקיפה תלויה בהתמרת פורייה הדו-ממדית של המחסום. עקיפת פרנל היא תוצאת עקיפה במרחק קטן יותר, הנקרא שדה קרוב.

דוגמאות
תופעת העקיפה מאפיינת כל גל, אך היא בולטת רק במקרה שסדר הגודל שמאפיין את המחסום דומה לאורך הגל. אם אורך הגל קטן מאוד, התבנית שנוצרת דומה לצורת המחסום עצמו.
עקיפה של גלי קול מתרחשת כל אימת ששומעים אדם שניצב מעבר למחסום בעל מפתח כך שאין קשר עין איתו, ואין קירות נוספים שמהחזרה מהם היה יכול להגיע הגל. גלי הקול עוקפים את המכשול בין הדובר למאזין. אורכי הגל המאפיינים קול בחיי היומיום הם מסדר גודל של סנטימטרים בודדים עד עשרות סנטימטרים, ולכן אנו יכולים לחוות אותה. הגלים בעלי אורכי גל ארוכים יותר (כלומר בעלי תדירויות נמוכות) עוקפים ביעילות גבוהה יותר גם מכשולים גדולים (בזוויות גדולות). עובדה זו מסבירה מדוע כשמתקרבים אל תזמורת בשטח בנוי, שומעים ראשית את כלי הנגינה המנגנים בס.
ניתן לראות תופעות עקיפה בגלי מים במקווי מים גדולים, כאשר עוברים גלי המים מהים דרך פתח קטן. למשל, בכניסה למעגן בין שני שוברי גלים, הגלים הנוצרים ביציאה מהפתח יוצרים דפוס עקיפה מורכב, שונה לגמרי מהגלים בכניסה, והם מגיעים גם לאזורים בחוף שניצבים מאחורי שובר הגלים.
אורך הגל של אור נראה הוא מסדר גודל של מאות ננומטרים. לכן, בחיי היומיום לרוב אנו רואים קרני אור שנעות בקווים ישרים, כך שאיננו יכולים לראות את מה שמוסתר על ידי מחסום. על מנת לצפות בתבנית עקיפה של אור נדרש מחסום או מפתח קטן מאוד. ניסוי שני הסדקים הוא דוגמה לכך, וניתן לקבל תבניות עקיפה גם בסדק יחיד ובמפתחים בעלי צורות גאומטריות שונות.
לפי מכניקת הקוונטים, הדינמיקה של חלקיקים נקבעת על ידי פונקציית גל המקיימת את משוואת שרדינגר, בה מתקיימת תופעת העקיפה. כתוצאה מכך, ניתן לקבל תבניות עקיפה גם עם חלקיקים בניסויים כדוגמת ניסוי שני הסדקים במידה וגודל המחסום הוא מסדר הגודל של אורך גל דה ברויי של החלקיק.
סריג עקיפה הוא חומר בעל מבנה מחזורי, וניתן ללמוד על תכונותיו מתבנית העקיפה שהוא יוצר. אורך הגל שמאפיין מוצקים מתאים לקרני רנטגן.
הקשת שניתן לראות כשצופים באור מוחזר מתקליטור היא דוגמה לעקיפת גלי אור: המבנים התת-מיקרוניים בתקליטור מחזירים את האור במופעים שונים מנקודות שונות. הפרעה זו יוצרת דפוס מורכב של חזיתות גל בעלות מופעים שונים, שגורם לצופים באור לראות פסים צבעוניים.
העקיפה קובעת את גבול הביצועים העליון שאליו יכולה להגיע מערכת המנתבת גלים כמו מערכת צילום עם מיפתח סופי.
העקיפה בגלי רדיו ארוכים (תדרים של פחות ממגה הרץ) היא כה בולטת, עד כי הגלים מתקדמים בצמוד לתוואי הקרקע: מאפייני העקיפה בהם בולטים בהרבה מאשר בגלים בתחום VHF למשל. לעיתים משתמשים בתכונה זו על מנת להעביר שידורי רדיו בין שתי נקודות שביניהן מפריד הר - אז משדרים בגלים ארוכים ככל שניתן, שיעקפו את המכשול.

ראו גם
עקיפת פרנל
עקיפת פראונהופר
התאבכות
עקרון באבינה

לקריאה נוספת
 Eugene Hecht, Optics, Addison Wesley (2001)

קישורים חיצוניים

"אופטיקה של גלים" - פרק בספר המקוון "Light and Matter" מאת בנג'מין קרוול
צילום מוגבל עקיפה
 
 

גלים
תופעות אופטיות