лабораторна робота - збірник звітів - ЛАБА
Звіт про лабораторну роботу №65
«Визначення довжини світлової хвилі за допомогою дифракційної решітки»
Приймав: Осипов В.С.
Мета роботи:1) Ознайомлення з явищем дифракції світла, теорією та пристроєм дифракційної решітки;
2) Ознайомлення з методикою отримання спектрів за допомогою дифракційних ґрат;
3) Експериментальне визначення довжин хвиль у спектрі випромінювання ртуті.
Теоретична частина
Під дифракцією світла розуміють будь-яке відхилення від прямолінійного поширення світла, якщо воно не може бути витлумачено як результат відбиття, заломлення або згинання світлових променів у середовищах з безперервно змінним показником заломлення. Зокрема, дифракція призводить до обгинання світловими хвилями перешкод та проникнення світла в область геометричної тіні.
Залежно від форми фронту світлової хвилі розрізняють дифракцію Френеля чи дифракцію Фраунгофера. Дифракція Френеля спостерігається в непаралельних променях світла (в окремому випадку фронт світлової хвилі може мати сферичну форму). В цьому випадку вторинні хвилі від різних ділянок джерела світла (не точкового) можуть приходити до точки спостереження з різними фазами, що призводить до утворення зон Френеля. Дифракція Фраунгофера спостерігається у паралельних променях, коли фронт хвилі плоский та вторинні хвилі приходять у точку спостереження у фазі.
2 Дифракція на щілини
Розглянемо дифракцію Фраунгофера однією щілини. Нехай плоска світлова хвиля падає перпендикулярно екрану з нескінченно довгою вузькою щілиною шириною b (рис. 1). Коли фронт світлової хвилі дійде до щілини і займе положення АВ, всі точки фронту стануть новими джерелами вторинниххвиль, що поширюються вперед від щілини на всі боки. Оскільки фронт хвилі, площина щілини та екран, на якому ведеться спостереження, паралельні один одному, а щілина нескінченна, картина, що спостерігається у будь-якій площині, перпендикулярній до щілини, однакова. Тому достатньо дослідити характер картини в одній площині.
Розглянемо промені, дифраговані під кутом до їхнього початкового напрямку. Розіб'ємо площу щілини на ряд паралельних смужок рівної ширини. Кожна з цих смужок може розглядатися як джерело хвиль, у яких однакові фази коливань, так як площина щілини збігається з площиною фронту хвилі, і однакові амплітуди коливань, оскільки смужки однакові площею і однаково нахилені до напрямку спостереження.
Розіб'ємо хвильовий фронт АВ на зони Френеля у вигляді смужок, паралельних щілини. Різниця ходу променів від двох сусідніх зон дорівнює
min: b*sin=
max: b*sin=
Одна зона Френеля
Довжина півкола дорівнює
sin=
=arcsin
A1=
якщо скористатися графічним способом складання амплітуд, можна визначити і величину максимумів. Розіб'ємо хвильовий фронт на однакові по ширині дуже вузькі зони. Коливання від кожної такої зони мають однакову амплітуду і відстають від сусідньої зони по фазі на ту саму величину, що залежить від кута дифракції. При напрямокспостереження збігається з початковим напрямом хвилі (рис.1). У цьому елементарні хвилі не набувають різниці фаз, т.к. лінза не вносить додаткової різниці ходу променів. Векторна діаграма, що відповідає цьому випадку, показано на рис.2а.
г) три зони Френеля
довжина спіралі дорівнює А0
) Дві зони Френеля
=arcsin
b*sin=
=arcsin
A3=
Амплітуда результуючого коливання А0 дорівнює сумі амплітуд елементарних хвиль. Це центральний (нульовий) максимум. Діаграма рис.1б відповідає такому куту дифракції коли на ширині щілини укладається одна зона Френеля і промені від країв щілини приходять до точки спостереження протифазі. Результуюча амплітуда А зображується вектором, величина якого дорівнює діаметру півкола довжини А0. На рис.1в і г представлені випадки, коли ширині щілини вміщаються дві і зони Френеля відповідно. У всіх випадках довжина кривої (напівкола, коло або спіраль) дорівнює А0. Дифракційна картина, що спостерігається на екрані, матиме вигляд:
2
-
-2
Найпростіші одновимірні дифракційні грати є системою великого числа N однакових по ширині і паралельних один одному щілин, що лежать в одній площині і розділених проміжками однакової ширини. Дифракційні грати бувають двох типів: пропускаючі та відбивні.
Розглянемо пропускну дифракційну решітку. На рис.4 показана оптична схема дії таких грат. Розмір d=a+b називається періодом, чи постійної дифракційної решітки (a – ширина непрозорих, а b – прозорих проміжків).
">