中日韩va无码中文字幕_亚洲va中文字幕无码久_又粗又大又黄又刺激的免费视频_成年人国产免费网站

()光的衍射

1.惠更斯-菲涅耳原理

菲涅耳在惠更斯原理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步假定,從同一波陣面上各點(diǎn)所發(fā)出的子波,經(jīng)傳播而在空間某點(diǎn)相遇時(shí),也可相互疊加而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這個(gè)經(jīng)過(guò)發(fā)展了的惠更斯原理稱為惠更斯一菲涅耳原理。它指出在衍射波場(chǎng)中出現(xiàn)衍射條紋的明暗,實(shí)質(zhì)上是子波干涉的結(jié)果。

2.單縫衍射

如圖8ab為單縫截面,其寬度為a, 在緊靠單縫處放置一透鏡,在透鏡的焦平面上放置一光屏。波長(zhǎng)為λ的單色平行光垂直入射到單縫上,由不同子波波源發(fā)出的傳播方向相同的衍射光線,經(jīng)過(guò)透鏡后會(huì)聚于光屏上,相互疊加產(chǎn)生干涉。若滿足相互加強(qiáng),則在屏上出現(xiàn)明條紋;若相互消弱, 則形成暗條紋,這種衍射稱為弗朗禾費(fèi)衍射。

 (1)屏上出現(xiàn)衍射明、暗條紋的條件

透鏡是為了將不同的衍射角的各組平行光線會(huì)聚在屏上的不同處。光通過(guò)透鏡不會(huì)引起附加的光程差,于是會(huì)聚處是明是暗只決定于對(duì)應(yīng)的平行光束中各衍射光線間的相互干涉情況。這類問(wèn)題可用"波帶"法來(lái)解決。

所謂"波帶"是將波陣面 (即寬度為α的單縫平面)分成若干個(gè)等分的發(fā)光帶,而相鄰兩個(gè)發(fā)光帶對(duì)應(yīng)位置發(fā)出的光,其光程差為λ/2, 這樣被等分成的每一個(gè)發(fā)光帶稱為一個(gè)"半波帶"。如圖9所示,平行光到達(dá)寬度為α的單縫ab,其中衍射角為φ的一束平行光,經(jīng)透鏡會(huì)聚在屏幕中央上方的p處。作ac平面垂直于波線。設(shè)以λ/2為單位將縫ab的兩條邊緣光線的光程差bc剛好分為三等分,bc滿足asinφ=3/2λ

 

8                                              9

過(guò)每一等分點(diǎn),作ac的平行線,則縫平面ab也被相應(yīng)地分成三等分aa、aa’’a’’b (每一等分為一個(gè)"波帶")。相鄰兩個(gè)波帶的光在p處相消,而剩下第三個(gè)波帶的光對(duì)p處的亮度有貢獻(xiàn),所以p處為明紋。由此可知,當(dāng)縫ab被分成奇數(shù)個(gè)波帶時(shí),屏上p處為明紋,單縫從a點(diǎn)和b點(diǎn)沿φ角方向發(fā)出的兩條邊緣光線的光程差滿足

              15          

k=1,稱一級(jí)衍射明紋,其余依次類推。

當(dāng)縫平面ab被分成偶數(shù)個(gè)波帶時(shí),相鄰兩波帶的對(duì)應(yīng)光線在屏上相遇處兩兩相消, 因此該處為暗紋。暗紋條件下,單縫兩條邊緣光線的光程差滿足

              16

k=1,稱一級(jí)衍射暗紋,其余依次類推。

當(dāng)縫ab兩條邊緣光線的光程差在之間(在兩條一級(jí)衍射暗紋之間) ,則屏幕上相應(yīng)區(qū)間為中央明紋,此時(shí)角度滿足

                     17

(2)明紋寬度

相鄰兩級(jí)衍射暗紋中心之間距就是明紋的寬度。除中央明紋外,其余各級(jí)的明紋寬度為

                             18

式中f為透鏡的焦距, λ為人射單色光的波長(zhǎng),α為單縫的寬度。 中央明紋的寬度為其他各級(jí)明紋寬度的兩倍。條紋亮度隨級(jí)次的增大而減弱。

   11  單縫衍射圖樣

(3)單縫寬度a對(duì)衍射條紋的影響

由式(15)可見,當(dāng)入射單色光的波長(zhǎng)λ一定時(shí),在單縫寬度α愈小時(shí),相應(yīng)各級(jí)衍射明紋的φ角就愈大,也就是光的衍射現(xiàn)象愈顯著。反之,在α愈大時(shí),各級(jí)衍射明紋對(duì)應(yīng)的φ角愈小,這些明紋都向中央明紋靠攏,衍射現(xiàn)象愈不明顯;若α»λ時(shí),各級(jí)衍射明紋全部并入中央明紋區(qū)域,該區(qū)域被均勻照亮,這時(shí)光可看作是直線傳播的。

 (4)用白光照射單縫

當(dāng)單縫寬度α一定時(shí),對(duì)于同一級(jí)衍射明紋,入射光的波長(zhǎng)愈大,則相應(yīng)的衍射角φ愈大。因此,以白光照射時(shí),中央明紋的中心處為白色,在中央明紋兩側(cè)出現(xiàn)由紫到紅的彩色條紋,離中心最近的是紫色條紋,最遠(yuǎn)的是紅色條紋。這組彩色條紋稱為衍射光譜。

【例題】若對(duì)應(yīng)于衍射角,單縫處的波面可劃分為5個(gè)半波帶,則單縫的寬度為a為:

a 2λ                      b 3λ                    c 5λ                     d 6λ 

答案 c

分析:?jiǎn)慰p處的波面可以劃分為5個(gè)半波帶,這是亮紋的情況,由單縫衍射的明紋條件,

,k=2,代入求得單縫寬度為5λ。

【例題】一束單色平行光垂直照射在寬度為1.0mm的單縫上,在縫后放一焦距為2.0m的會(huì)聚透鏡,中央明紋寬度為2mm,則入射光波長(zhǎng)約為

a 1000nm                 b 400nm                 c 500nm                  d 600nm

答案c

分析:中央明紋, ,則,入射波長(zhǎng)

3.衍射光柵

(1)光柵常數(shù)

光柵是由大量的等寬、等間距的單縫所組成的光學(xué)器件,縫寬(單縫的透光部分)α與縫間距(兩相鄰單縫之間不透光部分) b之和(α+b)稱為光柵常數(shù)。光柵常數(shù)越小, 單位長(zhǎng)度的單縫數(shù)越多,光柵越精致。

(2)光柵衍射在屏上出現(xiàn)明、暗條紋的條件

單色平行光垂直照射在光柵上,經(jīng)凸透鏡會(huì)聚,在位于透鏡焦平面的光屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋,稱為光柵衍射條紋, 如圖11所示。光柵衍射條紋的明、暗是單縫衍射和光柵各縫間干涉的總效果。

11

   

 
 


①當(dāng)衍射角為φ時(shí),若滿足

          (19)

 

則屏上的p點(diǎn)出現(xiàn)明條紋。

(α+b)越小,透光縫數(shù)n越多,條紋越細(xì)、越亮, 條紋之間分得越開。

②若衍射角φ使得

其中m = 1,2,…, (n - 1) , (n + 1) ,…(2n -1) (2n+ 1) kn-1,(kn+1)……(n為光柵的縫數(shù))

 

p點(diǎn)為暗條紋,在光柵兩條明條紋之間出現(xiàn)(n-1)條暗條紋。

③如果角度φ滿足明條紋條件,

但對(duì)每一單縫來(lái)說(shuō),兩條邊緣光線到達(dá)該點(diǎn)的光程差恰好滿足暗條紋條件,

組成光柵的每一單縫,在屏上的p點(diǎn)是暗紋。單縫的貢獻(xiàn)都為零,所以該位置點(diǎn)本應(yīng)出現(xiàn)的明條紋在屏上不再出現(xiàn),這種現(xiàn)象稱為缺級(jí)。

缺級(jí)的條件是

=整數(shù)               (20

)

光柵公式作幾點(diǎn)討論:

1)一定波長(zhǎng)的單色光垂直入射光柵時(shí),若光柵的光柵常數(shù)(α+b)較大,則各級(jí)明條紋對(duì)應(yīng)的衍射角φ都較小,因此,相鄰明條紋之間的間距較小;反之,光柵的光柵常數(shù)越小,相鄰明條紋對(duì)應(yīng)的衍射角φ相差越大,條紋之間的距離就越大。

2)給定光柵,即光柵常數(shù)一定,對(duì)于同一級(jí)明紋(k一定)入射光波長(zhǎng)較大時(shí),相對(duì)應(yīng)的衍射角φ也較大;反之,波長(zhǎng)較小時(shí),相對(duì)應(yīng)的衍射角φ也較小。用白光照射光柵時(shí),除中央明紋外,其他各級(jí)明條紋都形成彩色的光譜(紫光的衍射角較小,紅光的衍射角較大)。

3)由于,因此光柵常數(shù)與入射光波長(zhǎng)一定時(shí),  k值不可能是無(wú)限的,即明條紋的數(shù)目是有限的。

【例題】一衍射光柵,每厘米內(nèi)有200條透光縫,每條透光縫寬為,則在單縫衍射中央明紋寬度內(nèi),出現(xiàn)的主極大數(shù)目為:

a 1                      b 2                       c3                   d4

答案 c

分析:本題綜合性較強(qiáng),先要求出光柵常數(shù),由題目給出是200條透光縫,光柵常數(shù)。要記清,中央明紋的寬度是由單縫來(lái)決定的,題目中單縫寬度確定了,那么中央明紋邊緣處對(duì)應(yīng)的角度也就確定了,由可以得到,中央明紋邊緣對(duì)應(yīng)的角度值滿足,光柵衍射主極大公式為代入可得k=2, 這說(shuō)明k=2對(duì)應(yīng)的主極大剛好與單縫衍射的第一級(jí)暗紋重合,將發(fā)生缺級(jí)現(xiàn)象。那么中央明紋間共有3條主極大,分別是k=0,±1對(duì)應(yīng)的3個(gè)主極大。

4.小圓孔衍射、光學(xué)儀器分辨率

單色平行光垂直入射在小圓孔上,經(jīng)凸透鏡會(huì)聚,在位于透鏡焦平面的屏幕上出現(xiàn)明暗交替的環(huán)紋,中心光斑稱為愛里斑。

12

   

 
 


入射光波長(zhǎng)為λ,圓孔直徑為d, 透鏡焦距為f, 愛里斑直徑為d, 如圖12所示,愛里斑對(duì)透鏡光心張角2θ

          21

13

   

 

如果一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖樣,其中央最亮處(愛里斑中心)恰好與另一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖樣中的第一個(gè)最暗處相重合, 如圖13所示, 這時(shí)兩個(gè)點(diǎn)光源,恰好能被儀器分辨 (該條件稱瑞利準(zhǔn)則)。此時(shí),兩個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖樣的中央最亮處 (兩個(gè)愛里斑的中心)之間的距離為愛里斑的半徑,兩個(gè)點(diǎn)光源對(duì)透鏡光心的張角為

             (22)

14

式子中稱為最小分辨角,最小分辨角的倒數(shù)稱為儀器的分辨率, 23

可見,最小分辨率與波長(zhǎng)λ成反比,與孔徑d成正比。提高分辨率的方法是增加孔徑d,或使用短波長(zhǎng)光源照射。

5. x射線的衍射、布拉格公式

x射線波長(zhǎng)范圍在0.01—10nm之間。由于其波長(zhǎng)很短,普通光柵的光柵常數(shù)d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其波長(zhǎng),因而用普通光柵是無(wú)法觀察到x射線的衍射現(xiàn)象的。

x射線的光柵衍射,只能利用晶體才能實(shí)現(xiàn)。

16

如圖16所示,波長(zhǎng)為λ的x射線投射到晶體上時(shí),晶體中的原子就成為子波的波源,向各個(gè)方向發(fā)出散射波。可以證明,從所有各平行層上散射的x射線,只有滿足(24)式條件時(shí)才能相互增強(qiáng)。

         24

式子中d為相鄰兩原子平面層的間距,又稱晶格常數(shù);θ為入射x光的掠射角。該公式稱為布拉格公式。如果已知d,θ,則可以計(jì)算出x射線的波長(zhǎng)λ;反之,已知θ,λ,也可求晶格常數(shù)d。