Дослідження світла за допомогою дифракційної гратки.

Прилади та приладдя: дифракційна гратка, гоніометр з колімаційною та зоровою трубою, джерело світла.

Мета роботи: засвоїти метод визначення довжини світлових хвиль.

Коротка теорія та методика вимірювань

Дифракцією світла називається відхилення світлових хвиль від прямолінійного поширення, не викликане відбиванням або заломленням променів світла. Дифракція світла присутня завжди там і тоді, коли відбувається обмеження світлового фронту хвилі. Проте спостерігати її найлегше при проходженні світла через малі отвори або біля малих непрозорих перепон. Для одержання дифракційних спектрів виготовляють так звані дифракційні решітки (гратки), що являють собою сукупність паралельних, близько розмішених одна до одної щілин або відбиваючих смужок. Існує кілька способів виготовлення дифракційних граток. В одному з них скляну пластинку покривають тонким непрозорим шаром м’якого металу (Al, Ag) і надтонким кістяним різцем за допомогою ділильної машини продряпують в шарі вузькі шпарини (до 50 –1200 на 1 мм довжини). В іншому способі подряпини наносять на поверхню прозорої тонкої плівки, а проміжки між подряпинами служать щілинами. Існують відбивальні гратки у вигляді металевих дзеркал з нанесеними на них штрихами.

Розрахунок дифракційної картини робиться згідно з принципом Гюйгенса, доповненого Френелем принципом Юнга інтерференції світлових променів – так званим принципом Гюйгенса-Френеля. Згідно з принципом Гюйгенса, кожну точку хвильового фронту можна розглядати як точкове джерело вторинних сферичних хвиль. Визначаючи результат інтерференції хвиль від усіх точок фронту, вдається пояснити всі закономірності дифракції світла.

При падінні паралельного пучка променів (рис.1) на дифракційну гратку плоский фронт світлової хвилі АВ проходить через всі щілини в одній фазі. В деяку точку екрана під кутом φ йдуть два промені 1 і 2 і інтерферують.

Рис. 1

Між сусідніми щілинами в напрямку під кутом φ виникає різниця ходу променів

Δ = b sinφ, (1)

де b = a + a^/ – називається сталою гратки і визначається числом щілин на 1 м довжини

b = 1/ n. (2)

Промені від сусідніх щілин (отже,і від усіх щілин) дають максимум інерференції при різниці ходу у ціле число довжин хвиль -

Δ = k λ, k = 0, 1, 2 , … . (3)

Умову мінімуму інтерференції одержуємо при різниці ходу у напівціле число довжин хвиль -

Δ = ( k + 1 / 2 ) λ. (4)

При падінні на гратку монохроматичного (однокольорового) світла на екрані виникають однокольорові смуги. Біле світло утворює на екрані різнокольорові смуги (див. рис 1, праворуч), тому що умови максимуму для різних довжин хвиль задовольняються при різних кутах φ: на екрані біле світло розкладається на спектр першого (k=1), другого (k=2), третього і т.д. порядків. Цією властивістю дифракційних граток користуються при спектральних дослідженнях.

Дифракційні спектри одержують не гірші за дисперсійні, а прилади з добрими дифракційними гратками мають переваги перед призматичними.

В данній роботі дифракційна гратка застосовується для визначення довжин хвиль червоного, зеленого і фіолетового променів при використанні співвідношення (1) для максимуму (3). Для визначення довжини хвилі використовуються чітко видимі спектри першого та другого порядків. При цьому вимірюються кути φ і за (1), при відомому b обчислюється довжина хвилі λ. При вимірюванні світло від джерела пропускається через коліматор – обладнання для одержання вузького пучка паралельних променів. Пучок променів падає на дифракційну гратку і зазнає дифракції. Повертаючи зорову трубу праворуч –ліворуч, відшукують напрямок, по якому досліджуванні промені утворюють інтерференційні максимуми. Для точного відліку кутів застосовується градусна шкала з ноніусом, що дає можливість вимірювати кути з точністю до кутової мінути.