БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра экспериментальной и теоретической физики
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
инструкция к лабораторной работе N 7
по курсу "Общая физика"
раздел "Оптика и атомная физика"
Минск 2002 г.
УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
1. Источники опасности при работе с установкой:
- питание прибора от сети 220 В 50 Гц
- питание лазера ЛГ-78 - 9000 В
- мощность излучения лазера - 2мВт.
2. Установку включать и выключать тумблерами на блоке питания лазера и гониометре.
3. Во время работы трубку лазера не трогать. Установка ее в исходное состояние и настройка производится инженером лаборатории.
4. При возникновении признаков неисправности в блоке питания:
запах гари, дыма, треск электрического разряда - выключить блок питания лазера и, при необходимости, выключить рубильник электрощита лаборатории.
5. Выполняя работу, произведите переключения приборов и их настройку строго по порядку указанному в инструкции. Без прямой необходимости регулировочные винты и ручки приборов не вращать.
6. Во время выполнения работы не допускать попадания в глаза прямого и отраженного лазерного луча. Работу выполняет только та бригада студентов, которая получила допуск преподавателя.
7. Для стабильной работы установки включите лазер на прогрев за 5…10 минут до начала измерений.
8. Во избежании поломок аппаратуры следите за тем, чтобы к органам настройки и регулировки гониометра не прикладывать чрезмерных усилий способных сломать регулировочные и ограничительные устройства.
9. Включённую установку без надзора не оставлять. После завершения работы установку обязательно выключить. Ртутную лампу выключать только в том случае, если она не используется соседней бригадой. Повторное включение ртутной лампы возможно после её остывания (3…5 минут).
ОПАСНЫ ДЛЯ ЖИЗНИ напряжение выше 42В и ток более 25 мА.
Лабораторная работа n7 дифракция света.
1. Цель и задачи работы
1.1. Изучить явление дифракции света, принцип работы дифракционной решётки и ее назначение.
1.2. Экспериментально определить длину волны лазерного излучения.
1.3. Определить период дифракционной решётки.
1.4. Измерить диаметр частицы пыльцы ликоподия.
1.5. Вычислить длины волн линий спектра ртути.
2.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ
Поместим на пути параллельного пучка света плоскость и будем наблюдать дальнейший ход распространения световых лучей на экране Е. Если бы волна представляла собой действительно пучок параллельных прямых, то тень от объекта, поставленного на пути её распространения, должна бы иметь на экране совершенно четкие контуры. Это было предсказано геометрической оптикой и подтверждено грубыми опытами.
Однако
наиболее тщательное изучение показывает,
что в действительности край тени не
является резким, а состоит из чередующих
последовательности светлых и тёмных
полос (рис.1). То же самое явление
наблюдается, если на пути луча поместить
круглое отверстие или щель. Контур
получаемой на экране тени оказывается
окаймлённым светлыми или тёмными
полосами, тем более заметными, чем
меньше размеры отверстий.
Рис.1.
Вид дифракционной картины от плоскости
Явление дифракции, которое не могла объяснить геометрическая оптика, находится в тесной связи с явлением интерференции и может быть объяснено на основании принципа Гюйгенса.
Согласно принципу Гюйгенсу каждую точку волновой поверхности следует рассматривать как источник элементарных сферических волн, огибающая их поверхность служит новой волновой поверхностью (рис.2 ).
Объясним явление дифракции на краю плоскости Р, проиллюстрированное на рис.1, на основании принципа Гюйгенса.
Волновая поверхность Σ является источником вторичных сферических волн (рис.3). Каждая точка поверхности Σ эмитирует световые волны в различных направлениях. Выберем те лучи, которые собираются в точке экрана. Эти лучи когерентны, т.е. имеют одинаковую частоту, постоянную разность фаз, следовательно, могут интерферировать. Если лучи приходят в точку Р в фазе, то происходит
усиление света и мы наблюдаем световую полосу. В некоторую точку P1 лучи приходят в противофазе и происходит взаимное ослабление света. Тогда в точке Р1 мы наблюдаем тёмную полосу и т.д. Аналогично можно объяснить явление дифракции на щели на круглом отверстии и на других преградах.
Рассмотрим, например, явления дифракции на дифракционной решетке. Решетка состоит из большего числа параллельных и равностоящих друг от друга щелей (рис.4а). Ширина щели по величине должна быть одного порядка с длиной волны света, ширина непрозрачного участка также невелика. Для соблюдения этих условий линейная плотность штрихов на решетке должна составлять сотни штук на миллиметр. Суммарная ширина прозрачного и непрозрачного участков решетки называется её периодом d = а + в (рис.4б) Пусть решетка R освещается параллельным и нормальным к решетке пучком световых волн длиной λ. Каждая из щелей является источником вторичных волн, излучающих свет по различным направлениям.
Произвольно выберем одно из них, направленное под углом φ к нормали решётки (рис.4а).
Лучи собираются в точке Р, экрана Е, расположенного в фокальной плоскости линзы L. Разность хода Δ двух любых соседних лучей равна:
Δ = d · sin φ (1)
Если разность хода равна целому числу длин волн Δ = m λ, ( где m = 0,± 1,±2 , ... ), то лучи, распространяющиеся в направлении удовлетворяющему условию
Δ = d • sin φ придут в точку Р в фазе.
Таким образом мы имеем максимум дифракции ( светлые полосы ) для
d · sin φ = m · λ (2),
где m - порядок спектра, φ - угол дифракции.
В направлениях, не удовлетворяющих соотношению (2), наблюдаются темные полосы. В результате дифракционная картина представляет собой чередование темных и светлых полос.
При φ = 0 всегда наблюдается дифракционный максимум называемый главным максимумом ( m = 0 ).
На некотором расстоянии от главного максимума расположены максимумы первого порядка (m = ± 1), второго порядка (m = ± 2) и т.д. Интенсивность светлых полос уменьшается с увеличением порядка. Количество наблюдаемых на экране дифракционных максимумов определяется периодом решётки.