大学物理下22光的衍射.pptx

1光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射19.2.1 光栅光栅19.2.2 光栅衍射明条纹的分布及其特点光栅衍射明条纹的分布及其特点19.2.3 X 射线晶体衍射射线晶体衍射 小结小结返回返回19.2 光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射2光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射明暗边界不清，不利于测量明暗边界不清，不利于测量这就是最简单的这就是最简单的光栅光栅。双缝干涉的条纹光强的特点：双缝干涉的条纹光强的特点：实验表明：实验表明：当遮光屏上多开几条缝时，当遮光屏上多开几条缝时，明条纹变得又细又亮。明条纹变得又细又亮。19.2 光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射3光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射广义：任何能够在空间广义：任何能够在空间周期性地分割光波阵面周期性地分割光波阵面的装置都是的装置都是衍射光栅。如筛子、编的席子、扇子骨、眼睫毛衍射光栅。如筛子、编的席子、扇子骨、眼睫毛最简单：一组平行等宽等间隔的狭缝。最简单：一组平行等宽等间隔的狭缝。d 称为称为光栅常数光栅常数若若100mm宽的光栅总刻痕数宽的光栅总刻痕数数量级为：数量级为：10-6-10-5 m19.2.1 光栅光栅4光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射光栅衍射条纹是怎样形成的？光栅衍射条纹是怎样形成的？（定性分析）（定性分析）每缝都会产生单缝衍射，且各单每缝都会产生单缝衍射，且各单缝衍射条纹都重合叠加，衍射条缝衍射条纹都重合叠加，衍射条纹形状不变，光强增强。纹形状不变，光强增强。每个缝都看成一个光源，各每个缝都看成一个光源，各个缝之间又要发生干涉。个缝之间又要发生干涉。结论：结论：光栅衍射是单缝衍射和多缝干涉综和作用的结果！光栅衍射是单缝衍射和多缝干涉综和作用的结果！返回返回5光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射1、多缝干涉、多缝干涉光栅方程光栅方程满足光栅方程的明条纹称满足光栅方程的明条纹称主极大明纹主极大明纹（假设各缝在各方向衍射光强都相同）（假设各缝在各方向衍射光强都相同）d19.2.2 19.2.2 光栅衍射明条纹的分布及其特点光栅衍射明条纹的分布及其特点光栅衍射明条纹的分布及其特点光栅衍射明条纹的分布及其特点6光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射P 点总光强点总光强:光栅的干涉明条纹的强度是一条缝发出光强的光栅的干涉明条纹的强度是一条缝发出光强的N2倍倍一条缝在一条缝在 P 点产生的光振动的振幅为点产生的光振动的振幅为A0，光强为，光强为I0；N 条缝在条缝在 P 点产生的光振动的振幅为点产生的光振动的振幅为A，光强为，光强为I.条纹亮条纹亮主极大明纹主极大明纹的亮度：的亮度：7光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射若光栅有若光栅有N个缝，在相邻主极大间应有个缝，在相邻主极大间应有N-1条暗纹，条暗纹，有有N-2个次极大个次极大暗条纹满足的方程：暗条纹满足的方程：多缝干涉条纹的光强分布曲线：多缝干涉条纹的光强分布曲线：有有N-2个次极大个次极大（4缝为例）缝为例）8光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射暗纹：暗纹：中央明纹中央明纹角宽度：角宽度：N 很大，很大，很小很小条纹细条纹细相邻两明纹间距：相邻两明纹间距：根据光栅方程：根据光栅方程：d 很小，很小，很大很大条纹间距大条纹间距大多光束干涉多光束干涉的结果是的结果是:在几乎黑暗的背景上出现了一系列又在几乎黑暗的背景上出现了一系列又亮亮又又细细且且间距大间距大的的明条纹（明条纹（且亮度相等且亮度相等）没没考考虑虑每每个个缝缝的的光光的的衍衍射射效效应应！9光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射2、光栅的衍射的缺级现象、光栅的衍射的缺级现象 实际上，光栅衍射主极大的强度要实际上，光栅衍射主极大的强度要服从单缝衍射的光强分布的规律。服从单缝衍射的光强分布的规律。以上光栅衍射主极大的强度分布曲线并未考虑各缝以上光栅衍射主极大的强度分布曲线并未考虑各缝自身的衍射效应，自身的衍射效应，即认为其光振幅的大小与方向无关。即认为其光振幅的大小与方向无关。是为是为缺级缺级 将此现象称为单缝衍射对光栅衍射将此现象称为单缝衍射对光栅衍射主极大的主极大的调制调制。特殊地，在某一应出现光栅衍射主极特殊地，在某一应出现光栅衍射主极大的方向上，若恰好又是单缝衍射极小的大的方向上，若恰好又是单缝衍射极小的方向，则该主极大不能出现。方向，则该主极大不能出现。10光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射单缝衍射对单缝衍射对光栅主极大光栅主极大的的调制调制光栅光栅缺极缺极11光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射当某一衍射角当某一衍射角 同时同时满足：满足：光栅衍射主极大光栅衍射主极大单缝衍射极小单缝衍射极小两式相除两式相除例如：例如：时，缺级时，缺级缺级条件缺级条件12光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射3、光栅衍射光谱、光栅衍射光谱光栅方程：光栅方程：当当 k 一定时，主极大的角位置与一定时，主极大的角位置与 有关有关可见光可见光比较比较棱镜光谱棱镜光谱13光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射特点特点 光栅光谱光栅光谱 小小 小，有多级光谱；小，有多级光谱；棱镜光谱棱镜光谱 小小 大，只有一级。大，只有一级。光谱学小知识：光谱学小知识：连续光谱（白光光谱）连续光谱（白光光谱）-由炽热的固体体发出。由炽热的固体体发出。线状光谱（原子光谱）线状光谱（原子光谱）-由原子发出，例如：氢原子光谱由原子发出，例如：氢原子光谱 带状光谱（分子光谱）带状光谱（分子光谱）-由分子发出由分子发出特点特点 光栅光谱为匀排光谱光栅光谱为匀排光谱棱棱 镜光谱为非匀排光谱镜光谱为非匀排光谱返回返回14光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射例例1:1:波长为波长为500nm 的单色光垂直入射每厘米的单色光垂直入射每厘米5000条缝条缝的光栅，且的光栅，且d=2a，求：最多能看到几条亮纹。求：最多能看到几条亮纹。解：解：考虑缺级：考虑缺级：可看到的亮纹：可看到的亮纹：可看到的亮纹：可看到的亮纹：共共 5 条条为缺级为缺级15光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射自然光垂直入射每毫米自然光垂直入射每毫米400条缝条缝 的光栅的光栅问：可产生几级完整的光谱？问：可产生几级完整的光谱？例例2：解：解：400线线/mm设第设第 k 级光谱与级光谱与 k+1 级光谱重叠级光谱重叠从从2 级级开始重叠开始重叠当当发生重叠发生重叠可产生可产生1 级完整的光谱级完整的光谱 返回返回16光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射 1885 1885年年伦琴伦琴发现，受高速电子撞击的金属会发射发现，受高速电子撞击的金属会发射一种穿透性很强的射线称一种穿透性很强的射线称射线射线劳劳 厄厄 斑斑 点点铅板铅板单晶片单晶片 照照像像底底片片 单晶片的衍射单晶片的衍射19121912年劳厄实验年劳厄实验X 射线射线冷却水冷却水19.2.3 X 射线晶体衍射射线晶体衍射17光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射布布 拉拉 格格 反反 射射入射波入射波散射波散射波 1913年英国年英国布拉格父子布拉格父子提出了一种解释射线提出了一种解释射线衍射的方法，给出了定量结果，并于衍射的方法，给出了定量结果，并于1915年荣获物年荣获物理学诺贝尔奖理学诺贝尔奖掠射角掠射角晶格常数晶格常数 相邻两个晶面反射的相邻两个晶面反射的两两X射线干涉射线干涉加强的条件加强的条件 布拉格公式布拉格公式18光的衍射光的衍射光栅的衍射、光栅的衍射、x 射线的衍射射线的衍射 用途用途 测量射线的波长研究测量射线的波长研究X X射线谱，进而研究原子射线谱，进而研究原子结构；研究晶体的结构，进一步研究材料性能结构；研究晶体的结构，进一步研究材料性能.例如对大例如对大分子分子 DNA DNA 晶体的成千张的晶体的成千张的X X射线衍射照片的分析，显示射线衍射照片的分析，显示出出DNADNA分子的分子的双螺旋双螺旋结构结构.DNA DNA 晶体的晶体的X衍射照片衍射照片DNA DNA 分子的双螺旋结构分子的双螺旋结构 布拉格公式布拉格公式返回返回