 |
|
Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Дифракционная решётка, спектры и спектрографы.
Дифракция света – отклонение от закона прямолинейного распространения света, проявляющееся при наличии препятствий на пути световой волны, причем длины волны должна превышать размеры препятствия.
Принцип Гюйгенса-Френеля: интенсивность света в пространстве вокруг точечного источника можно рассчитать как результат интерференции световых волн, распространяющихся от совокупности когерентных вторичных источников, заполняющих окружающую источник поверхность. Френель, предложил считать вторичные источники когерентными, т.е. они должны интерферировать.
Используя принцип Гюйгенса-Френеля для объяснения дифракционной картины, следует учитывать ряд обстоятельств:
Вторичные источники заполняют поверхность непрерывно и равномерно, так что амплитуда колебания, идущего от малого участка поверхности, пропорциональна площади этого участка;
Чем больше угол α между направлением излучения и нормалью к данному элементу, тем меньше амплитуда колебания, посылаемого в этом направлении;
Поскольку амплитуда сферической волны убывает обратно пропорционально расстоянию r от источника, то колебания, приходящие в точку наблюдения от более удаленных участков поверхности, будут иметь меньшую амплитуду.
Зоны Френеля – разбиение сферической поверхности на отдельные участки с таким расчетом, чтобы колебания, приходящие от двух соседних зон, при сложении гасили друг друга, т.е. расстояния от соседних зон до точки наблюдения должны отличаться на половину длины волны – λ/2.
Дифракция Френеля – дифракция от точечного монохроматического (волны одной определённой и строго постоянной частоты) источника света на круглом отверстии, при котором экран расположен не слишком далеко от отверстия. Волновой фронт – сферический. При увеличении радиуса отверстия открывается все большее число зон Френеля, и интенсивность в точке наблюдения будет изменяться, достигая поочередно своих минимумов, когда открыто четное число зон и колебания от них попарно погашаются, и максимумов, когда открыто нечетное число зон и остается нескомпенсированным колебание одной целой зоны.
Дифракция Фраунгофера – дифракция в параллельных лучах, требует больших расстояний между источником, экраном с отверстием и плоскостью наблюдения или расположения экрана в фокальной плоскости собирательной линзы. В обоих случаях в каждой точке экрана будут собираться и интерферировать лучи, идущие параллельно друг другу. Пучок параллельных лучей получается за счёт помещения точечного источника света в фокус собирательной линзы – такая система называется коллиматором. Волновой фронт – плоский. Наблюдаемая картина вытягивается вдоль оси y и представляет собой чередование темных и светлых полос.
Дифракционная картина – разделение интенсивностей в пространстве при дифракции.
Дифракционная решетка — оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность.
Фронт световой волны разбивается штрихами решетки на отдельные пучки когерентного света. Эти пучки претерпевают дифракцию на штрихах и интерферируют друг с другом. Так как для каждой длины волны существует свой угол дифракции, то белый свет раскладывается в спектр.
Расстояние, через которое повторяются штрихи на решетке, называют периодом дифракционной решетки. Обозначают буквой d.
Если известно число штрихов (N), приходящихся на 1 мм решетки, то период решетки находят по формуле: 0,001/N
Формула дифракционной решетки: dsinα = kλ, где d — период решетки, α — угол максимума данного цвета, k — порядок максимума, λ — длина волны.
Положение главных максимумов дифракционной решетки зависит от длины волны. Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального разлагаются на спектр, фиолетовый конец которого обращен к центру дифракционной картины, красный – наружу. Т.о., дифракционная решетка представляет собой спектральный прибор, основными характеристиками которого являются его дисперсия и разрешающая сила. Дисперсия определяет угловое (D = Δφ/Δλ) или линейное (D = Δl/Δλ) расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине волны на единицу. Разрешающая сила определяет минимальную разность длин волн Δλ, при которой две линии воспринимаются в спектре раздельно (R = mN), т.е. разрешающая сила пропорциональна порядку спектра m и числу щелей N.
Спектр — распределение потока излучения или частиц по длинам волн или энергии (см. вопрос №1).
Спектрограф – оптический прибор для получения и одновременной регистрации спектров излучения. Спектрограф состоит:
- из устройства для получения пучков параллельных лучей;
- из диспергирующего элемента: призмы или дифракционной решетки;
- из регистрирующей камеры с кассетой для фотопленки или фотопластинки.