2. Теория и методика эксперимента

Измерение размеров мелких частиц диаметром в несколько микрометров является сложной задачей вследствие невозможности применения обычных универсальных средств (микроскопа, контактных приборов), дающих погрешности порядка 1-2 мкм, которые соизмеримы с размерами частиц.

Задача может быть решена дифракционным методом с весьма высокой точностью.

Схема наблюдения дифракции Фраунгофера от малой круглой частицы дана на рис.4.

Рис.4. Схема наблюдения дифракционной картины

от малых круглых частиц

Параллельный монохроматический пучок лучей от лазера 1 падает на круглую частицу 2 радиуса r, дифрагирует на ней и дает дифракционную картину на экране 3, расположенном на расстоянии l от частицы. При достаточно большом l дифрагированные лучи будут образовывать практически параллельные пучки, что соответствует схеме дифракции Фраунгофера. При этом на экране 3 возникает периодическое распределение интенсивности света в виде концентрических колец дифракционных максимумов и минимумов, графически представленных на рис.5.

Условия максимумов: ; ; ; … .

Условия минимумов: ; ; .

Здесь φ_k – углы дифракции( k=0,1,2,3…), λ – длина световой волны.

Полученная дифракционная картина от одной частицы будет слаба на фоне прямого недифрагированного света. Для ее усиления в плоскости 2 (рис.4) вместо одной помещается большое количество круглых частиц.

Так как в параллельном пучке лазера, имеющем осевую структуру, при смещении частицы в сторону от оси перпендикулярно ей дифракционная картина не изменяет своего положения, то все частицы дадут одинаковые дифракционные картины, налагающиеся друг на друга в плоскости 3. Интенсивности этих картин сложатся и результирующий контраст усилится.

Рис.5. Распределение интенсивности светового пучка в дифракционной картине

Хаотичность распределения частиц исключает возможность систематического интерференционного эффекта между световыми пучками, дифрагировавшими от разных частиц. Поэтому, если в пучок лучей попало N частиц, то контраст дифракционной картины усилится в N раз, но не изменит своей структуры. Из рис.5 видно, что большая часть светового потока (приблизительно 84%) приходится на центральный нулевой максимум.

Условия наблюдаемости дифракционной картины

(1)

.

Соотношение между l и должно быть порядка 10².

Установка для наблюдения дифракции Фраунгофера на мелких круглых частицах собирается на оптической скамье, на которой укреплен оптический квантовый генератор He-Ne-лазер непрерывного излучения. В рейтер, который может перемещаться вдоль оптической скамьи, вставляется пакет с частицами. В качестве мелких круглых частиц берутся споры растения плауна – ликоподий. Они напылены на одну из пластин и закрыты второй пластиной. На другом конце оптической скамьи имеется рейтер с закрепленным на нем непрозрачным экраном с отсчетной шкалой с ценой деления 1 мм, на котором будет наблюдаться дифракционная картина. Для отсчета положения рейтеров оптическая скамья снабжена отсчетной линейкой длиной 1 м с ценой деления 1 мм. К работе прилагаются описания и правила пользования лазером.