- •Лабораторная работа вм №5
- •Определение границ спектра белого света
- •С помощью дифракционной решетки
- •Требованяи по технике безопасности
- •1. Краткие теоретические сведения
- •Дифракция световых волн
- •1.2.Дифракция плоских волн (дифракция Фраунгофера)
- •1.3. Дифракционная решетка
- •Первый множитель в (6) обращается в нуль в точках, для которых
- •Описание лабораторной установки
- •3. Порядок выполнения работы
- •4. Обработка результатов эксперимента
- •Требования к оформлению отчета
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. Литература
1.3. Дифракционная решетка
Дифракционной решеткой называется совокупность большого числа одинаковых, отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние щелей (рис. 6). Расстояние между серединами соседних щелей называется периодом решетки.
Рис.
6
В дальнейшем мы будем предполагать, что радиус когерентности падающей волны намного превышает длину решетки, так что колебания от всех щелей можно считать когерентными друг относительно друга. В этом случае результирующее колебание в точке , положение которой определяется углом , представляет собойсумму колебаний с одинаковой амплитудой, сдвинутых друготносительно друга по фазе на одну и ту же величину . Согласноформуле (3) интенсивность при этих условиях равна
(4)
(в данном случае роль играет).
Из рис.6 видно, что разность хода от соседних щелей равна . Следовательно, разность фаз
, (5)
где - длина волны в данной среде.
Подставив в формулу (4) выражение (3) для и (5) для, получим
(6)
(- интенсивность, создаваемая одной щелью против центра линзы).
Первый множитель в (6) обращается в нуль в точках, для которых
. (7)
В этих точках интенсивность, создаваемая каждой из щелей в отдельности, равна нулю (см. условие (2)).
Второй множитель в (6) принимает значение в точках, удовлетворяющих условию
. (8)
Для направлений, определяемых этим условием, колебания от отдельных щелей взаимно усиливают друг друга, вследствие чего амплитуда колебаний в соответствующей точке экрана равна
(9)
(- амплитуда колебания, посылаемого одной щелью под углом ).
Условие (8) определяет положения максимумов интенсивности, называемых главными. Число дает порядокглавного максимума. Максимум нулевого порядка только один, максимумов 1-го, 2-го и т. д. порядков имеется по два.
Возведя равенство (9) в квадрат, получим, что интенсивность главных максимумов враз больше интенсивности,создаваемой в направлении одной щелью:.
Кроме минимумов, определяемых условием (7), в промежутках между соседними главными максимумами имеется добавочных минимумов. Эти минимумы возникают в тех направлениях, для которых колебания от отдельных щелей взаимно погашают друг друга. Направления добавочных минимумов определяются условием
. (10)
.
В формуле (10) принимает все целочисленные значения, кроме , т. е. кроме тех, при которых условие (10) переходит в (8).
Рис.
7
.
Поэтому в тех случаях, когда не является целым кратным,мы, пристраивая начало следующего вектора к концу предыдущего, получим замкнутую ломаную линию, которая делает (при) или (при) оборотов прежде чем конец-го вектора упрется в начало 1-го. Соответственно результирующая амплитуда оказывается равной нулю. Сказанное пояснено нарис. 7, на котором показана сумма векторов для случая и значений , равныхи.
Между дополнительными минимумами располагаются слабые вторичные максимумы. Число таких максимумов, приходящееся на промежуток между соседними главными максимумами, равно . Ранее было показано, что интенсивность вторичных максимумов не превышает интенсивности ближайшего главного максимума.
На рис. 8 приведен график функции (6) для и. Пунктирная кривая, проходящая через вершины главных максимумов, изображает интенсивность от одной щели, умноженную на . При взятом на рисунке отношении периода решетки к ширине щели главные максимумы 3-го,6-го и т. д. порядков приходятся на минимумы интенсивности от одной щели, вследствие чего эти максимумы пропадают. Вообще из формул (7) и (8) вытекает, что главный максимум -гопорядка придется на -й минимум от одной щели, если будет выполнено равенство: , или. Этовозможно, еслиравно отношению двух целых чисел и(практический интереспредставляет случай, когда эти числа невелики). Тогда главный
Рис.
8
Рис.
9
Определим угловую ширину центрального (нулевого) максимума. Положение ближайших к нему дополнительных минимумовопределяется условием (см. формулу (10)),этим минимумам соответствуют = , при этом..
Положение дополнительных минимумов, ближайших к главному максимуму -го порядка, определяется условием:. Отсюда получается для угловой ширины -го максимума следующее выражение:
.
Обозначив и, имеем
.
При большом числе щелей значение будет очень мало, потому , и
.
При
Рис.
10
В дифракционном спектре положение главных максимумов зависит от длины волны .Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального, разложатся в спектр, фиолетовый конец которого обращен к центру дифракционной картины, красный - наружу. Таким образом, дифракционная решетка представляет собой спектральный прибор. Стеклянная призма сильнее всего отклоняет фиолетовые лучи, дифракционная решетка, напротив, сильнее отклоняет красные лучи.
Основными характеристиками всякого спектрального прибора являются его дисперсия и разрешающая сила. Дисперсия определяет угловое или линейное расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине волны на единицу (например, на ). Разрешающая сила определяет минимальную разность длин волн , при которой две линии воспринимаются в спектре раздельно.
Угловой дисперсией называется величина
,
где – угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на.
Чтобы найти угловую дисперсию дифракционной решетки, продифференцируем условие (8) главного максимума слева по ,а справа по . Опуская знак минус, получим
.
Отсюда
.
В пределах небольших углов , поэтому можно положить
(11)
- угловая дисперсия обратно пропорциональна периоду решетки . Чем выше порядок спектра , тем больше дисперсия.
Линейной дисперсией называют величину , где- линейное расстояние на экране или на фотопластинке между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на . Из рис. 9 видно, что при небольших значениях угламожно положить , где- фокусное расстояние линзы, собирающейдифрагирующие лучи на экране. Следовательно, линейная дисперсия связана с угловой дисперсиейсоотношением
.
Приняв во внимание выражение (11), получим для линейной дисперсии дифракционной решетки (при небольших ) следующуюформулу:
.
Разрешающей силой спектрального прибора называют безразмерную величину
,
где - минимальная разность длин волн двух спектральных линий, при которой эти линии воспринимаются раздельно.
Возможность разрешения (т. е. раздельного восприятия) двух близких спектральных линий зависит не только от расстояний между ними (которое определяется дисперсией прибора), но также и от ширины спектрального максимума. На рис. 10 показана результирующая интенсивность (сплошные кривые), наблюдающаяся при наложении двух близких максимумов (пунктирные кривые). В случае а) оба максимума воспринимаются как один. В случае б) между максимумами лежит минимум. Два близких максимума воспринимаются глазом раздельно в том случае, если интенсивность в промежутке между ними составляет не более 80% от интенсивности максимума. Согласно критерию, предложенному Рэлеем, такое соотношение интенсивностей имеет место в том случае, если середина одного максимума совпадает с краем другого (рис. 10. б). Такое взаимное расположение максимумов получается при определенном (для данного прибора) значении .
Найдем разрешающую силу дифракционной решетки. Положение середины -го максимума для длины волныопределяется условием
.
Края -го максимума для длины волнырасположены под углами, удовлетворяющими соотношению
.
Середина максимума для длины волны совпадет с краеммаксимума для длины волны в том случае, если.Отсюда
.
Решив это соотношение относительно , получим выражениедля разрешающей силы .
Таким образом, разрешающая сила дифракционной решетки пропорциональна порядку спектра и числу щелей.