Bumalik pasulong

Pansin! Ang mga slide preview ay para sa mga layuning pang-impormasyon lamang at maaaring hindi kumakatawan sa lahat ng mga tampok ng pagtatanghal. Kung interesado ka sa gawaing ito, mangyaring i-download ang buong bersyon.

(Aralin sa pagkuha ng bagong kaalaman, grade 11, antas ng profile – 2 oras).

Mga layuning pang-edukasyon ng aralin:

• Ipakilala ang konsepto ng light diffraction
• Ipaliwanag ang diffraction ng liwanag gamit ang Huygens-Fresnel na prinsipyo
• Ipakilala ang konsepto ng mga Fresnel zone
• Ipaliwanag ang istraktura at prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang diffraction grating

Mga layunin sa pag-unlad ng aralin

• Pag-unlad ng mga kasanayan sa qualitative at quantitative na paglalarawan ng mga pattern ng diffraction

Kagamitan: projector, screen, pagtatanghal.

Lesson Plan

• Diffraction ng liwanag
• Fresnel diffraction
• Fraunhofer diffraction
• Diffraction grating

Sa panahon ng mga klase.

1. Organisasyon sandali.

2. Pag-aaral ng bagong materyal.

Diffraction- ang kababalaghan ng mga alon na baluktot sa mga obstacle na nakatagpo sa kanilang landas, o sa isang mas malawak na kahulugan - anumang paglihis ng pagpapalaganap ng alon malapit sa mga hadlang mula sa mga batas ng geometric na optika. Dahil sa diffraction, ang mga alon ay maaaring mahulog sa isang lugar ng geometric na anino, yumuko sa mga hadlang, tumagos sa maliliit na butas sa mga screen, atbp. Halimbawa, ang tunog ay malinaw na maririnig sa paligid ng sulok ng isang bahay, iyon ay, ang sound wave yumuko sa paligid nito.

Kung ang liwanag ay isang proseso ng alon, bilang nakakumbinsi na ipinahiwatig ng hindi pangkaraniwang bagay ng interference, kung gayon ang pagkakaiba-iba ng liwanag ay dapat ding sundin.

Diffraction ng liwanag- ang kababalaghan ng pagpapalihis ng mga sinag ng liwanag sa rehiyon ng isang geometric na anino kapag dumadaan sa mga gilid ng mga hadlang o sa mga butas na ang mga sukat ay maihahambing sa haba ng liwanag na alon ( slide No. 2).

Ang katotohanan na ang liwanag ay lumampas sa mga gilid ng mga hadlang ay alam ng mga tao sa mahabang panahon. Ang unang pang-agham na paglalarawan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay kabilang sa F. Grimaldi. Inilagay ni Grimaldi ang iba't ibang bagay, sa partikular na manipis na mga sinulid, sa isang makitid na sinag ng liwanag. Sa kasong ito, ang anino sa screen ay naging mas malawak kaysa sa nararapat ayon sa mga batas ng geometric na optika. Bilang karagdagan, ang mga may kulay na guhit ay natagpuan sa magkabilang panig ng anino. Sa pamamagitan ng pagpasa ng manipis na sinag ng liwanag sa isang maliit na butas, napansin din ni Grimaldi ang isang paglihis mula sa batas ng rectilinear propagation ng liwanag. Ang maliwanag na lugar sa tapat ng butas ay naging mas malaki kaysa sa inaasahan para sa rectilinear propagation ng liwanag ( slide No. 2).

Noong 1802, si T. Young, na nakatuklas ng interference ng liwanag, ay nagsagawa ng isang klasikal na eksperimento sa diffraction ( numero ng slide 3).

Sa opaque na screen ay tinusok niya ang dalawang maliit na butas B at C gamit ang isang pin sa isang maikling distansya mula sa isa't isa. Ang mga butas na ito ay pinaliwanagan ng isang makitid na sinag ng liwanag na dumadaan sa isang maliit na butas A sa isa pang screen. Ang detalyeng ito, na napakahirap isipin noong panahong iyon, ang nagpasya sa tagumpay ng eksperimento. Pagkatapos ng lahat, ang magkakaugnay na alon lamang ang nakakasagabal. Isang spherical wave na lumalabas alinsunod sa prinsipyo ni Huygens mula sa hole A na nasasabik na magkakaugnay na oscillations sa mga butas B at C. Dahil sa diffraction, dalawang light cone ang lumabas mula sa mga butas B at C, na bahagyang nag-overlap. Bilang resulta ng interference ng dalawang light wave na ito, ang mga alternating light at dark stripes ay lumitaw sa screen. Pagsasara ng isa sa mga butas. Natuklasan ni Young na nawala ang mga gilid ng panghihimasok. Sa tulong ng eksperimentong ito na unang sinukat ni Jung ang mga wavelength na tumutugma sa mga light ray ng iba't ibang kulay, at medyo tumpak.

Teorya ng diffraction

Ang Pranses na siyentipiko na si O. Fresnel ay hindi lamang nag-aral ng iba't ibang mga kaso ng diffraction sa eksperimento nang mas detalyado, ngunit nagtayo din ng isang quantitative theory ng diffraction. Ibinatay ni Fresnel ang kanyang teorya sa prinsipyo ni Huygens, dinadagdagan ito ng ideya ng interference ng mga pangalawang alon. Ang prinsipyo ng Huygens sa orihinal nitong anyo ay naging posible upang mahanap lamang ang mga posisyon ng mga harap ng alon sa mga kasunod na oras, ibig sabihin, upang matukoy ang direksyon ng pagpapalaganap ng alon. Mahalaga, ito ang prinsipyo ng geometric na optika. Pinalitan ni Fresnel ang hypothesis ni Huygens tungkol sa sobre ng mga pangalawang alon na may pisikal na malinaw na posisyon, ayon sa kung saan ang mga pangalawang alon, pagdating sa punto ng pagmamasid, ay nakakasagabal sa isa't isa ( numero ng slide 4).

Mayroong dalawang kaso ng diffraction:

Kung ang balakid kung saan nangyayari ang diffraction ay matatagpuan malapit sa pinagmumulan ng liwanag o sa screen kung saan nangyayari ang pagmamasid, kung gayon ang harap ng insidente o mga diffracted na alon ay may hubog na ibabaw (halimbawa, spherical); ang kasong ito ay tinatawag na Fresnel diffraction.

Kung ang laki ng balakid ay mas maliit kaysa sa distansya sa pinagmulan, kung gayon ang insidente ng alon sa balakid ay maaaring ituring na patag. Ang plane wave diffraction ay madalas na tinatawag na Fraunhofer diffraction ( slide number 5).

Paraan ng Fresnel zone.

Upang ipaliwanag ang mga tampok ng mga pattern ng diffraction sa mga simpleng bagay ( numero ng slide 6), ang Fresnel ay nakabuo ng isang simple at visual na pamamaraan para sa pagpapangkat ng mga pangalawang mapagkukunan - ang paraan ng pagbuo ng mga Fresnel zone. Ang pamamaraang ito ay nagbibigay-daan sa isang tinatayang pagkalkula ng mga pattern ng diffraction ( numero ng slide 7).

Mga fresnel zone– isang hanay ng magkakaugnay na pinagmumulan ng mga pangalawang alon, ang pinakamataas na pagkakaiba sa landas na katumbas ng λ/2.

Kung ang pagkakaiba ng landas mula sa dalawang katabing zone ay pantay λ /2 , samakatuwid, ang mga oscillations mula sa kanila ay dumating sa observation point M sa magkasalungat na yugto, upang Ang mga alon mula sa alinmang dalawang magkatabing Fresnel zone ay magkakansela sa isa't isa(numero ng slide 8).

Halimbawa, kapag nagpapasa ng liwanag sa isang maliit na butas, parehong may liwanag at madilim na lugar ang maaaring makita sa observation point. Nagbubunga ito ng isang kabalintunaan na resulta: ang liwanag ay hindi dumadaan sa butas!

Upang ipaliwanag ang resulta ng diffraction, kinakailangang tingnan kung gaano karaming mga Fresnel zone ang magkasya sa butas. Kapag inilagay sa butas kakaibang bilang ng mga zone maximum(light spot). Kapag inilagay sa butas kahit na bilang ng mga zone, pagkatapos ay sa observation point magkakaroon pinakamababa(madilim na lugar). Sa katunayan, ang liwanag, siyempre, ay dumadaan sa butas, ngunit lumilitaw ang interference maxima sa mga kalapit na punto ( slide No. 9 -11).

Fresnel zone plate.

Ang isang bilang ng mga kapansin-pansin, kung minsan ay kabalintunaan, mga kahihinatnan ay maaaring makuha mula sa teorya ni Fresnel. Ang isa sa mga ito ay ang posibilidad ng paggamit ng zone plate bilang isang collecting lens. Zone plate– isang transparent na screen na may mga alternating light at dark rings. Pinipili ang radii ng mga singsing upang ang mga singsing na gawa sa opaque na materyal ay sumasakop sa lahat ng mga pantay na zone, pagkatapos ay ang mga oscillations lamang mula sa mga kakaibang zone na nagaganap sa parehong yugto ay dumating sa punto ng pagmamasid, na humahantong sa pagtaas ng intensity ng liwanag sa punto ng pagmamasid ( numero ng slide 12).

Ang pangalawang kapansin-pansing kinahinatnan ng teorya ni Fresnel ay ang hula ng pagkakaroon ng isang maliwanag na lugar ( Poisson spot) sa lugar ng geometric shadow mula sa isang opaque na screen ( slide No. 13-14).

Upang obserbahan ang isang maliwanag na lugar sa rehiyon ng isang geometric na anino, kinakailangan na ang opaque na screen ay magkakapatong sa isang maliit na bilang ng mga Fresnel zone (isa o dalawa).

Fraunhofer diffraction.

Kung ang laki ng balakid ay mas maliit kaysa sa distansya sa pinagmulan, kung gayon ang insidente ng alon sa balakid ay maaaring ituring na patag. Ang isang plane wave ay maaari ding makuha sa pamamagitan ng paglalagay ng light source sa focus ng isang collecting lens ( numero ng slide 15).

Ang diffraction ng plane wave ay madalas na tinatawag na Fraunhofer diffraction, na pinangalanan sa German scientist na Fraunhofer. Ang ganitong uri ng diffraction ay partikular na isinasaalang-alang para sa dalawang dahilan. Una, ito ay isang mas simpleng espesyal na kaso ng diffraction, at pangalawa, ang ganitong uri ng diffraction ay madalas na matatagpuan sa iba't ibang mga optical na instrumento.

Slit diffraction

Ang kaso ng light diffraction sa pamamagitan ng slit ay may malaking praktikal na kahalagahan. Kapag ang slit ay naiilaw ng isang parallel beam ng monochromatic na ilaw, isang serye ng madilim at magaan na guhit ang nakukuha sa screen, na mabilis na bumababa sa intensity ( numero ng slide 16).

Kung ang ilaw ay bumagsak nang patayo sa eroplano ng slit, kung gayon ang mga guhitan ay matatagpuan simetriko na nauugnay sa gitnang guhit, at ang pag-iilaw ay pana-panahong nagbabago sa screen, alinsunod sa mga kondisyon ng maximum at minimum ( slide No. 17, flash animation "Diffraction of light by a slit").

Konklusyon:

• a) habang bumababa ang lapad ng slit, lumalawak ang gitnang liwanag na guhit;
• b) para sa isang ibinigay na lapad ng hiwa, mas malaki ang distansya sa pagitan ng mga guhitan, mas mahaba ang haba ng daluyong ng liwanag;
• c) samakatuwid, sa kaso ng puting ilaw, mayroong isang hanay ng mga kaukulang pattern para sa iba't ibang kulay;
• d) sa kasong ito, ang pangunahing maximum ay magiging karaniwan para sa lahat ng mga wavelength at lilitaw sa anyo ng isang puting guhit, at ang side maxima ay may kulay na mga guhit na may mga alternating na kulay mula sa violet hanggang pula.

Diffraction sa pamamagitan ng dalawang slits.

Kung mayroong dalawang magkaparehong parallel slits, pagkatapos ay nagbibigay sila ng magkaparehong magkakapatong na mga pattern ng diffraction, bilang isang resulta kung saan ang maxima ay katumbas na pinalaki, at, bilang karagdagan, ang magkaparehong interference ng mga alon mula sa una at pangalawang slits ay nangyayari. Bilang resulta, ang minima ay nasa parehong mga lugar, dahil ito ang mga direksyon kung saan wala sa mga slits ang nagpapadala ng liwanag. Bilang karagdagan, may mga posibleng direksyon kung saan ang liwanag na ibinubuga ng dalawang slits ay nagkansela sa isa't isa. Kaya, sa pagitan ng dalawang pangunahing maxima mayroong isang karagdagang minimum, at ang maxima ay nagiging mas makitid kaysa sa isang hiwa ( mga slide Blg. 18-19). Kung mas malaki ang bilang ng mga slits, mas malinaw na tinukoy ang maxima at mas malawak ang minima na pinaghihiwalay nila. Sa kasong ito, ang liwanag na enerhiya ay muling ipinamahagi upang ang karamihan sa mga ito ay bumaba sa maxima, at ang isang maliit na bahagi ng enerhiya ay nahuhulog sa minima ( slide No. 20).

Diffraction grating.

Ang diffraction grating ay isang koleksyon ng isang malaking bilang ng mga napakakitid na hiwa na pinaghihiwalay ng mga opaque na espasyo ( slide No. 21). Kung ang isang monochromatic wave ay bumagsak sa grating, ang mga slits (pangalawang mapagkukunan) ay lumikha ng magkakaugnay na mga alon. Ang isang collecting lens ay inilalagay sa likod ng grille, na sinusundan ng isang screen. Bilang resulta ng pagkagambala ng liwanag mula sa iba't ibang mga slits ng grating, isang sistema ng maxima at minima ay sinusunod sa screen ( slide No. 22).

Ang posisyon ng lahat ng maxima, maliban sa pangunahing isa, ay nakasalalay sa haba ng daluyong. Samakatuwid, kung ang puting liwanag ay bumagsak sa rehas na bakal, ito ay nabubulok sa isang spectrum. Samakatuwid, ang diffraction grating ay isang spectral device na ginagamit upang mabulok ang liwanag sa isang spectrum. Gamit ang isang diffraction grating, maaari mong tumpak na sukatin ang haba ng daluyong, dahil sa isang malaking bilang ng mga slits, ang mga lugar ng intensity maxima ay makitid, nagiging manipis na maliwanag na mga guhitan, at ang distansya sa pagitan ng maxima (lapad ng madilim na mga guhit) ay tumataas ( slide No. 23-24).

Resolution ng diffraction grating.

Para sa mga instrumentong parang multo na naglalaman ng diffraction grating, ang kakayahang magkahiwalay na obserbahan ang dalawang spectral na linya na may malapit na wavelength ay mahalaga.

Ang kakayahang magkahiwalay na pagmasdan ang dalawang parang multo na linya na may magkatulad na wavelength ay tinatawag na grating resolution ( slide No. 25-26).

Kung nais nating lutasin ang dalawang malapit na linya ng parang multo, kung gayon kinakailangan upang matiyak na ang interference maxima na naaayon sa bawat isa sa kanila ay makitid hangga't maaari. Para sa kaso ng isang diffraction grating, nangangahulugan ito na ang kabuuang bilang ng mga linya na idineposito sa grating ay dapat kasing laki hangga't maaari. Kaya, sa magandang diffraction gratings, na may humigit-kumulang 500 linya bawat milimetro, na may kabuuang haba na halos 100 mm, ang kabuuang bilang ng mga linya ay 50,000.

Depende sa kanilang aplikasyon, ang mga grating ay maaaring metal o salamin. Ang pinakamahusay na mga grating ng metal ay may hanggang 2000 na linya bawat milimetro ng ibabaw, na may kabuuang haba ng rehas na 100-150 mm. Ang mga obserbasyon sa metal gratings ay isinasagawa lamang sa masasalamin na liwanag, at sa glass gratings - kadalasan sa ipinadalang liwanag.

Ang aming mga pilikmata, na may mga puwang sa pagitan ng mga ito, ay bumubuo ng isang magaspang na diffraction grating. Kung duling ka sa isang maliwanag na pinagmumulan ng liwanag, makikita mo ang mga kulay ng bahaghari. Ang phenomena ng diffraction at interference ng light help

Kulay ng kalikasan ang lahat ng nabubuhay na bagay nang hindi gumagamit ng mga tina ( slide No. 27).

3. Pangunahing pagsasama-sama ng materyal.

Kontrolin ang mga tanong

1. Bakit mas maliwanag ang diffraction ng tunog araw-araw kaysa sa diffraction ng liwanag?
2. Ano ang mga idinagdag ni Fresnel sa prinsipyo ni Huygens?
3. Ano ang prinsipyo ng pagbuo ng mga Fresnel zone?
4. Ano ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga zone plate?
5. Kailan naobserbahan ang Fresnel diffraction at Fraunhofer diffraction?
6. Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng Fresnel diffraction sa pamamagitan ng isang pabilog na butas kapag naiilawan ng monochromatic at puting ilaw?
7. Bakit hindi sinusunod ang diffraction sa malalaking butas at malalaking disk?
8. Ano ang tumutukoy kung ang bilang ng mga Fresnel zone na binuksan ng isang butas ay magiging pantay o kakaiba?
9. Ano ang mga katangiang katangian ng pattern ng diffraction na nakuha ng diffraction sa isang maliit na opaque disk?
10. Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng pattern ng diffraction sa slit kapag naiilaw ng monochromatic at puting ilaw?
11. Ano ang maximum slit width kung saan ang intensity minima ay mapapansin pa rin?
12. Paano nakakaapekto ang pagtaas ng wavelength at slit width sa diffraction ng Fraunhofer mula sa isang slit?
13. Paano magbabago ang pattern ng diffraction kung ang kabuuang bilang ng mga linya ng rehas ay nadagdagan nang hindi binabago ang pare-parehong rehas?
14. Ilang karagdagang minima at maxima ang nagaganap sa panahon ng six-slit diffraction?
15. Bakit hinahati ng diffraction grating ang puting liwanag sa isang spectrum?
16. Paano matukoy ang pinakamataas na pagkakasunud-sunod ng spectrum ng isang diffraction grating?
17. Paano nagbabago ang pattern ng diffraction kapag lumayo ang screen mula sa rehas na bakal?
18. Kapag gumagamit ng puting ilaw, bakit ang gitnang maximum lang ang puti at ang gilid na maximum ay may kulay na bahaghari?
19. Bakit ang mga linya sa isang diffraction grating ay dapat na malapit sa isa't isa?
20. Bakit dapat magkaroon ng isang malaking bilang ng mga stroke?

Mga halimbawa ng ilang mahahalagang sitwasyon (pangunahing pagsasama-sama ng kaalaman) (slide Blg. 29-49)

1. Ang isang diffraction grating na may pare-parehong 0.004 mm ay iluminado ng liwanag na may wavelength na 687 nm. Sa anong anggulo sa grating dapat gawin ang pagmamasid upang makita ang imahe ng second order spectrum ( slide No. 29).
2. Ang monochromatic na ilaw na may wavelength na 500 nm ay insidente sa isang diffraction grating na mayroong 500 linya bawat 1 mm. Ang ilaw ay tumama sa rehas na bakal nang patayo. Ano ang pinakamataas na pagkakasunod-sunod ng spectrum na maaaring maobserbahan? ( slide No. 30).
3. Ang diffraction grating ay matatagpuan parallel sa screen sa layo na 0.7 m mula dito. Tukuyin ang bilang ng mga linya sa bawat 1 mm para sa diffraction grating na ito kung, sa ilalim ng normal na saklaw ng isang light beam na may wavelength na 430 nm, ang unang maximum na diffraction sa screen ay matatagpuan sa layo na 3 cm mula sa central light stripe. Ipagpalagay na sinφ ≈ tanφ ( slide No. 31).
4. Ang isang diffraction grating, ang panahon kung saan ay 0.005 mm, ay matatagpuan parallel sa screen sa layo na 1.6 m mula dito at iluminado ng isang light beam ng wavelength na 0.6 μm na insidente na normal sa grating. Tukuyin ang distansya sa pagitan ng gitna ng pattern ng diffraction at ang pangalawang maximum. Ipagpalagay na sinφ ≈ tanφ ( numero ng slide 32).
5. Ang isang diffraction grating na may panahon na 10-5 m ay matatagpuan parallel sa screen sa layo na 1.8 m mula dito. Ang grating ay iluminado ng isang karaniwang sinag ng liwanag na may wavelength na 580 nm. Sa screen sa layo na 20.88 cm mula sa gitna ng pattern ng diffraction, ang maximum na pag-iilaw ay sinusunod. Tukuyin ang pagkakasunud-sunod ng maximum na ito. Ipagpalagay na sinφ ≈ tanφ ( slide number 33).
6. Gamit ang isang diffraction grating na may panahon na 0.02 mm, ang unang diffraction na imahe ay nakuha sa layo na 3.6 cm mula sa gitnang isa at sa layo na 1.8 m mula sa grating. Hanapin ang wavelength ng liwanag ( slide No. 34).
7. Ang spectra ng pangalawa at pangatlong order sa nakikitang rehiyon ng diffraction grating ay bahagyang nagsasapawan sa isa't isa. Anong wavelength sa third-order spectrum ang tumutugma sa wavelength ng 700 nm sa second-order spectrum? ( slide No. 35).
8. Ang isang eroplanong monochromatic wave na may dalas na 8 1014 Hz ay ​​karaniwang nangyayari sa isang diffraction grating na may panahon na 5 μm. Ang isang collecting lens na may focal length na 20 cm ay inilalagay parallel sa grating sa likod nito. Ang diffraction pattern ay sinusunod sa screen sa focal plane ng lens. Hanapin ang distansya sa pagitan ng pangunahing maxima nito ng 1st at 2nd order. Ipagpalagay na sinφ ≈ tanφ ( slide No. 36).
9. Ano ang lapad ng buong first-order spectrum (mga wavelength mula 380 nm hanggang 760 nm) na nakuha sa isang screen na matatagpuan 3 m mula sa isang diffraction grating na may panahon na 0.01 mm? ( slide No. 37).
10. Ano ang dapat na kabuuang haba ng isang diffraction grating na mayroong 500 linya bawat 1 mm upang malutas ang dalawang parang multo na linya na may mga wavelength na 600.0 nm at 600.05 nm? ( slide No. 40).
11. Tukuyin ang resolution ng isang diffraction grating na ang panahon ay 1.5 µm at ang kabuuang haba ay 12 mm kung ang liwanag na may wavelength na 530 nm ay insidente dito ( slide No. 42).
12. Ano ang pinakamababang bilang ng mga linya na dapat taglayin ng grating upang ang dalawang dilaw na linya ng sodium na may mga wavelength na 589 nm at 589.6 nm ay maaaring malutas sa first-order spectrum. Ano ang haba ng naturang sala-sala kung ang lattice constant ay 10 µm ( slide No. 44).
13. Tukuyin ang bilang ng mga bukas na zone na may mga sumusunod na parameter:
    R =2 mm; a=2.5 m; b=1.5 m
    a) λ=0.4 µm.
    b) λ=0.76 µm ( slide No. 45).
14. Ang isang 1.2 mm slit ay iluminado ng berdeng ilaw na may wavelength na 0.5 μm. Ang tagamasid ay matatagpuan sa layo na 3 m mula sa slit. Makikita ba niya ang pattern ng diffraction ( slide No. 47).
15. Ang isang 0.5 mm slit ay iluminado ng berdeng ilaw mula sa isang 500 nm laser. Sa anong distansya mula sa slit maaaring malinaw na maobserbahan ang pattern ng diffraction ( slide No. 49).

4. Takdang-Aralin (slide No. 50).

Teksbuk: § 71-72 (G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev. Physics.11).

Koleksyon ng mga problema sa pisika No. 1606,1609,1612, 1613,1617 (G.N. Stepanova).

Ang puti at anumang kumplikadong liwanag ay maaaring ituring bilang isang superposisyon ng mga monochromatic wave na may iba't ibang wavelength, na kumikilos nang nakapag-iisa kapag diffraction ng isang rehas na bakal. Alinsunod dito, ang mga kondisyon (7), (8), (9) para sa bawat wavelength ay masisiyahan sa iba't ibang mga anggulo, i.e. ang mga monochromatic na bahagi ng liwanag na insidente sa grating ay lalabas na spatially separated. Ang hanay ng pangunahing diffraction maxima ng mth order (m≠0) para sa lahat ng monochromatic na bahagi ng light incident sa grating ay tinatawag na mth order diffraction spectrum.

Ang posisyon ng pangunahing diffraction maximum ng zero order (central maximum φ=0) ay hindi nakasalalay sa haba ng daluyong, at para sa puting ilaw ito ay magmumukhang isang puting guhit. Ang diffraction spectrum ng mth order (m≠0) para sa insidente na puting ilaw ay may anyo ng isang kulay na banda kung saan matatagpuan ang lahat ng mga kulay ng bahaghari, at para sa kumplikadong liwanag sa anyo ng isang hanay ng mga parang multo na linya na tumutugma sa monochromatic insidente ng mga bahagi sa diffraction grating ng kumplikadong liwanag (Fig. 2).

Ang isang diffraction grating bilang isang spectral device ay may mga sumusunod na pangunahing katangian: resolution R, angular dispersion D at dispersion region G.

Ang pinakamaliit na pagkakaiba sa mga wavelength ng dalawang spectral na linya δλ, kung saan niresolba ng spectral apparatus ang mga linyang ito, ay tinatawag na spectral resolvable distance, at ang value ay ang resolution ng apparatus.

Kondisyon ng spectral resolution (pamantayan ng Rayleigh):

Ang mga spectral na linya na may malapit na wavelength na λ at λ' ay itinuturing na nalutas kung ang pangunahing maximum ng pattern ng diffraction para sa isang wavelength ay tumutugma sa posisyon sa unang minimum na diffraction sa parehong pagkakasunud-sunod para sa isa pang wave.

Gamit ang Rayleigh criterion nakuha namin:

, (10)

kung saan ang N ay ang bilang ng mga linya ng grating (slits) na kasangkot sa diffraction, ang m ay ang pagkakasunud-sunod ng spectrum ng diffraction.

At ang maximum na resolution:

, (11)

kung saan ang L ay ang kabuuang lapad ng diffraction grating.

Ang angular dispersion D ay isang dami na tinukoy bilang angular na distansya sa pagitan ng mga direksyon para sa dalawang spectral na linya na naiiba sa wavelength ng 1

At
.

Mula sa kondisyon ng pangunahing diffraction maximum

(12)

Dispersion region G – ang maximum na lapad ng spectral interval Δλ, kung saan walang overlap ng diffraction spectra ng mga kalapit na order

, (13)

kung saan ang λ ay ang inisyal na hangganan ng spectral interval.

Paglalarawan ng pag-install.

Ang gawain ng pagtukoy ng wavelength gamit ang isang diffraction grating ay bumababa sa pagsukat ng mga anggulo ng diffraction. Ang mga sukat na ito sa gawaing ito ay ginawa gamit ang isang goniometer (protractor).

Ang goniometer (Larawan 3) ay binubuo ng mga sumusunod na pangunahing bahagi: isang base na may talahanayan (I), kung saan ang pangunahing sukat sa mga degree ay nakalimbag (dial –L); isang collimator (II) na mahigpit na naayos sa base at isang optical tube (III) na naka-mount sa isang singsing na maaaring umikot tungkol sa isang axis na dumadaan sa gitna ng entablado. Mayroong dalawang vernier N na matatagpuan sa tapat ng bawat isa sa singsing.

Ang collimator ay isang tubo na may lens F1, sa focal plane kung saan mayroong makitid na slit S, mga 1 mm ang lapad, at isang movable eyepiece O na may index thread H.

Data ng pag-install:

Ang presyo ng pinakamaliit na dibisyon ng pangunahing sukat ng goniometer ay 1 0.

Ang presyo ng dibisyon ng vernier ay 5.

Diffraction grating pare-pareho
, [mm].

Ang mercury lamp (DRSh 250 – 3), na may discrete emission spectrum, ay ginagamit bilang ilaw na pinagmumulan sa gawaing laboratoryo. Sinusukat ng trabaho ang mga wavelength ng pinakamaliwanag na linya ng parang multo: asul, berde at dalawang dilaw (Larawan 2b).

Dumating ang mahinang simoy, at ang mga ripples (isang alon na may maliit na haba at amplitude) ay tumakbo sa ibabaw ng tubig, na nakatagpo ng iba't ibang mga hadlang sa daan, sa itaas ng ibabaw ng tubig, mga tangkay ng halaman, mga sanga ng puno. Sa leeward side sa likod ng sanga, ang tubig ay kalmado, walang kaguluhan, at ang alon ay yumuyuko sa paligid ng mga tangkay ng halaman.

WAVE DIFFRACTION (mula sa lat. difractus– basag) mga alon na yumuyuko sa iba't ibang mga hadlang. Ang diffraction ng alon ay katangian ng anumang galaw ng alon; nangyayari kung ang mga sukat ng balakid ay mas maliit kaysa sa wavelength o maihahambing dito.

Ang diffraction ng liwanag ay ang phenomenon ng deviation ng liwanag mula sa rectilinear na direksyon ng propagation kapag dumadaan malapit sa mga obstacle. Sa panahon ng diffraction, ang mga light wave ay yumuko sa paligid ng mga hangganan ng mga opaque na katawan at maaaring tumagos sa rehiyon ng geometric na anino.
Ang isang balakid ay maaaring isang butas, isang puwang, o ang gilid ng isang opaque na hadlang.

Ang diffraction ng liwanag ay nagpapakita ng sarili sa katotohanan na ang liwanag ay tumagos sa rehiyon ng isang geometric na anino na lumalabag sa batas ng rectilinear propagation ng liwanag. Halimbawa, ang pagpasa ng liwanag sa isang maliit na bilog na butas, nakakita kami ng mas malaking maliwanag na lugar sa screen kaysa sa inaasahan sa linear propagation.

Dahil sa maikling wavelength ng liwanag, maliit ang anggulo ng pagpapalihis ng liwanag mula sa direksyon ng rectilinear propagation. Samakatuwid, upang malinaw na obserbahan ang diffraction, kinakailangan na gumamit ng napakaliit na mga hadlang o ilagay ang screen na malayo sa mga hadlang.

Ipinaliwanag ang diffraction batay sa prinsipyo ng Huygens–Fresnel: ang bawat punto sa harap ng alon ay pinagmumulan ng mga pangalawang alon. Ang diffraction pattern ay nagreresulta mula sa interference ng pangalawang light waves.

Ang mga alon na nabuo sa mga puntong A at B ay magkakaugnay. Ano ang nakikita sa screen sa mga puntong O, M, N?

Ang diffraction ay malinaw na sinusunod lamang sa mga distansya

kung saan ang R ay ang mga katangiang sukat ng balakid. Sa mas maikling distansya, nalalapat ang mga batas ng geometric na optika.

Ang kababalaghan ng diffraction ay nagpapataw ng limitasyon sa paglutas ng mga optical na instrumento (halimbawa, isang teleskopyo). Bilang resulta, ang isang kumplikadong pattern ng diffraction ay nabuo sa focal plane ng teleskopyo.

Diffraction grating – ay isang koleksyon ng isang malaking bilang ng makitid, parallel, malapit sa isa't isa na transparent sa magaan na lugar (slits) na matatagpuan sa parehong eroplano, na pinaghihiwalay ng mga opaque na espasyo.

Ang mga diffraction grating ay maaaring maging mapanimdim o nagpapadala ng liwanag. Ang prinsipyo ng kanilang operasyon ay pareho. Ginagawa ang grating gamit ang isang dividing machine na gumagawa ng panaka-nakang parallel stroke sa isang baso o metal na plato. Ang isang magandang diffraction grating ay naglalaman ng hanggang 100,000 linya. Tukuyin natin:

a– ang lapad ng mga slits (o reflective stripes) na transparent sa liwanag;
b– ang lapad ng mga opaque space (o light-scattering area).
Magnitude d = a + b ay tinatawag na period (o pare-pareho) ng diffraction grating.

Ang pattern ng diffraction na nilikha ng grating ay kumplikado. Nagpapakita ito ng pangunahing maxima at minima, pangalawang maxima, at karagdagang minima dahil sa diffraction ng slit.
Ang pangunahing maxima, na mga makitid na maliwanag na linya sa spectrum, ay praktikal na kahalagahan kapag nag-aaral ng spectra gamit ang isang diffraction grating. Kung ang puting liwanag ay bumagsak sa isang diffraction grating, ang mga alon ng bawat kulay na kasama sa komposisyon nito ay bumubuo ng kanilang sariling diffraction maxima. Ang posisyon ng maximum ay depende sa wavelength. Zero highs (k = 0 ) para sa lahat ng mga wavelength ay nabuo sa mga direksyon ng sinag ng insidente (β = 0 ), samakatuwid mayroong isang gitnang maliwanag na banda sa spectrum ng diffraction. Sa kaliwa at kanan nito, makikita ang color diffraction maxima ng iba't ibang order. Dahil ang anggulo ng diffraction ay proporsyonal sa haba ng daluyong, ang mga pulang sinag ay pinalihis nang higit kaysa sa mga sinag ng violet. Pansinin ang pagkakaiba sa pagkakasunud-sunod ng mga kulay sa diffraction at prismatic spectra. Salamat dito, ang isang diffraction grating ay ginagamit bilang isang spectral apparatus, kasama ang isang prisma.

Kapag dumadaan sa isang diffraction grating, isang light wave na may haba λ magbibigay ang screen ng sequence ng mga minimum at maximum na intensity. Ang intensity maxima ay makikita sa anggulo β:

kung saan ang k ay isang integer na tinatawag na order ng diffraction maximum.

Pangunahing buod:

Sa physics, ang light diffraction ay ang phenomenon ng deviation mula sa mga batas ng geometric optics sa panahon ng pagpapalaganap ng light waves.

Ang termino " diffraction" galing sa Latin diffractus, na literal na nangangahulugang "mga alon na yumuyuko sa paligid ng isang balakid." Sa una, ang kababalaghan ng diffraction ay isinasaalang-alang nang eksakto sa ganitong paraan. Sa katunayan, ito ay isang mas malawak na konsepto. Bagaman ang pagkakaroon ng isang balakid sa landas ng isang alon ay palaging nagdudulot ng diffraction, sa ilang mga kaso ang mga alon ay maaaring yumuko sa paligid nito at tumagos sa rehiyon ng geometric na anino, sa iba ay pinalihis lamang sila sa isang tiyak na direksyon. Ang agnas ng mga alon kasama ang frequency spectrum ay isa ring pagpapakita ng diffraction.

Paano ipinakikita ng light diffraction ang sarili nito?

Sa isang transparent na homogenous na medium, ang liwanag ay naglalakbay sa isang tuwid na linya. Maglagay tayo ng opaque na screen na may maliit na butas na hugis bilog sa daanan ng light beam. Sa screen ng pagmamasid na matatagpuan sa likod niya sa isang sapat na malaking distansya, makikita natin larawan ng diffraction: alternating light at dark rings. Kung ang butas sa screen ay may hugis ng isang hiwa, ang pattern ng diffraction ay mag-iiba: sa halip na mga bilog, makikita natin ang magkatulad na alternating light at dark stripes. Ano ang dahilan kung bakit sila lumitaw?

Prinsipyo ng Huygens-Fresnel

Sinubukan nilang ipaliwanag ang phenomenon ng diffraction noong panahon ni Newton. Ngunit hindi posible na gawin ito sa batayan ng corpuscular theory ng liwanag na umiral noong panahong iyon.

Christian Huygens

Noong 1678, nakuha ng Dutch scientist na si Christiaan Huygens ang prinsipyong ipinangalan sa kanya, ayon sa kung saan bawat punto ng harap ng alon(ibabaw na naabot ng alon) ay ang pinagmulan ng isang bagong pangalawang alon. At ang sobre ng mga ibabaw ng pangalawang alon ay nagpapakita ng bagong posisyon ng harap ng alon. Ang prinsipyong ito ay naging posible upang matukoy ang direksyon ng paggalaw ng isang liwanag na alon at upang bumuo ng mga ibabaw ng alon sa iba't ibang mga kaso. Ngunit hindi niya maipaliwanag ang phenomenon ng diffraction.

Augustin Jean Fresnel

Makalipas ang maraming taon, noong 1815 Pranses physicistAugustin Jean Fresnel binuo ang prinsipyo ni Huygens sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga konsepto ng pagkakaugnay-ugnay at interference ng alon. Nadagdagan ang prinsipyo ni Huygens sa kanila, ipinaliwanag niya ang sanhi ng diffraction sa pamamagitan ng interference ng pangalawang light waves.

Ano ang interference?

Panghihimasok tinatawag na superposition phenomenon magkakaugnay(nagkakaroon ng parehong dalas ng panginginig ng boses) kumakalaban sa isa't isa. Bilang resulta ng prosesong ito, ang mga alon ay nagpapalakas sa isa't isa o nagpapahina sa isa't isa. Naobserbahan namin ang interference ng liwanag sa optika bilang alternating light at dark stripes. Ang isang kapansin-pansing halimbawa ng interference ng mga light wave ay ang mga singsing ni Newton.

Ang mga pinagmumulan ng pangalawang alon ay bahagi ng parehong harap ng alon. Samakatuwid, sila ay magkakaugnay. Nangangahulugan ito na ang interference ay makikita sa pagitan ng mga ibinubuga na pangalawang alon. Sa mga puntong iyon sa kalawakan kung saan tumitindi ang mga light wave, nakikita natin ang liwanag (maximum illumination), at kung saan kanselahin nila ang isa't isa, nakikita natin ang kadiliman (minimum illumination).

Sa physics, dalawang uri ng light diffraction ang isinasaalang-alang: Fresnel diffraction (diffraction by a hole) at Fraunhofer diffraction (diffraction by a slit).

Fresnel diffraction

Ang ganitong diffraction ay maaaring maobserbahan kung ang isang opaque na screen na may makitid na bilog na butas (aperture) ay inilalagay sa landas ng liwanag na alon.

Kung ang liwanag ay lumaganap sa isang tuwid na linya, makikita natin ang isang maliwanag na lugar sa screen ng pagmamasid. Sa katunayan, habang dumadaan ang liwanag sa butas, nag-iiba ito. Sa screen ay makikita mo ang concentric (nagkakaroon ng isang karaniwang sentro) na nagpapalit-palit ng liwanag at madilim na mga singsing. Paano sila nabuo?

Ayon sa prinsipyo ng Huygens-Fresnel, ang harap ng isang liwanag na alon, na umaabot sa eroplano ng butas sa screen, ay nagiging pinagmumulan ng mga pangalawang alon. Dahil ang mga alon na ito ay magkakaugnay, sila ay makagambala. Bilang isang resulta, sa punto ng pagmamasid ay mapapansin natin ang mga alternating light at dark circles (maxima at minima of illumination).

Ang kakanyahan nito ay ang mga sumusunod.

Isipin natin na ang isang spherical light wave ay kumakalat mula sa isang pinagmulan S 0 sa punto ng pagmamasid M . Sa pamamagitan ng punto S isang spherical wave surface ang dumadaan. Hatiin natin ito sa mga ring zone upang ang distansya mula sa mga gilid ng zone hanggang sa punto M naiba ng ½ wavelength ng liwanag. Ang mga resultang annular zone ay tinatawag na Fresnel zone. At ang paraan ng partitioning mismo ay tinatawag Paraan ng Fresnel zone .

Distansya mula sa punto M sa wave surface ng unang Fresnel zone ay katumbas ng l + ƛ/2 , sa pangalawang zone l + 2ƛ/2 atbp.

Ang bawat Fresnel zone ay itinuturing bilang isang pinagmumulan ng mga pangalawang alon ng isang tiyak na yugto. Dalawang katabing Fresnel zone ang nasa antiphase. Nangangahulugan ito na ang mga pangalawang alon na nagmumula sa mga katabing zone ay magpapahina sa isa't isa sa punto ng pagmamasid. Ang isang alon mula sa pangalawang zone ay magpapalamig sa alon mula sa unang zone, at ang isang alon mula sa ikatlong zone ay magpapalakas nito. Ang ikaapat na alon ay muling magpahina sa una, atbp. Bilang resulta, ang kabuuang amplitude sa punto ng pagmamasid ay magiging katumbas ng A = A 1 - A 2 + A 3 - A 4 + ...

Kung ang isang balakid ay inilagay sa landas ng liwanag na magbubukas lamang sa unang Fresnel zone, ang resultang amplitude ay magiging katumbas ng A 1 . Nangangahulugan ito na ang intensity ng radiation sa observation point ay magiging mas mataas kaysa sa kaso kapag ang lahat ng mga zone ay bukas. At kung isasara mo ang lahat ng mga even-numbered zone, tataas ang intensity ng maraming beses, dahil walang mga zone na magpapahina nito.

Kahit na o kakaibang mga zone ay maaaring mai-block gamit ang isang espesyal na aparato, na isang glass plate kung saan nakaukit ang mga concentric na bilog. Ang aparatong ito ay tinatawag na Fresnel plate.

Halimbawa, kung ang panloob na radii ng mga madilim na singsing ng plato ay nag-tutugma sa radii ng mga kakaibang Fresnel zone, at ang panlabas na radii na may radii ng kahit na mga, kung gayon sa kasong ito ang kahit na mga zone ay "i-off", na magiging sanhi ng pagtaas ng pag-iilaw sa punto ng pagmamasid.

Fraunhofer diffraction

Ang isang ganap na naiibang pattern ng diffraction ay lilitaw kung ang isang balakid sa anyo ng isang screen na may makitid na hiwa ay inilagay sa landas ng isang patag na monochromatic light wave na patayo sa direksyon nito. Sa halip na maliwanag at madilim na mga concentric na bilog sa screen ng pagmamasid, makikita natin ang magkakasalit-salit na liwanag at madilim na mga guhit. Ang pinakamaliwanag na guhit ay matatagpuan sa gitna. Habang lumalayo ka sa gitna, bababa ang ningning ng mga guhit. Ang diffraction na ito ay tinatawag na Fraunhofer diffraction. Ito ay nangyayari kapag ang isang parallel beam ng liwanag ay bumagsak sa screen. Upang makuha ito, ang pinagmumulan ng liwanag ay inilalagay sa focal plane ng lens. Ang screen ng pagmamasid ay matatagpuan sa focal plane ng isa pang lens na matatagpuan sa likod ng slit.

Kung ang liwanag ay nagpapalaganap nang rectilinearly, pagkatapos ay sa screen ay mapapansin natin ang isang makitid na light strip na dumadaan sa punto O (ang focus ng lens). Ngunit bakit ibang larawan ang nakikita natin?

Ayon sa prinsipyo ng Huygens-Fresnel, ang mga pangalawang alon ay nabuo sa bawat punto ng harap ng alon na umaabot sa hiwa. Ang mga sinag na nagmumula sa pangalawang pinagmumulan ay nagbabago ng kanilang direksyon at lumilihis mula sa orihinal na direksyon sa pamamagitan ng isang anggulo φ . Nagtitipon sila sa isang punto P focal plane ng lens.

Hatiin natin ang slit sa mga Fresnel zone sa paraang ang pagkakaiba ng optical path sa pagitan ng mga sinag na nagmumula sa mga kalapit na zone ay katumbas ng kalahati ng wavelength ƛ/2 . Kung ang isang kakaibang bilang ng mga naturang zone ay umaangkop sa puwang, pagkatapos ay sa punto R mapapansin natin ang pinakamataas na pag-iilaw. At kung ito ay kahit na, pagkatapos ay ang minimum.

b · kasalanan φ= + 2 m ·ƛ/2 - minimum na kondisyon ng intensity;

b · kasalanan φ= + 2( m +1)·ƛ/2 - kondisyon ng maximum na intensity,

saan m - bilang ng mga zone, ƛ - haba ng daluyong, b - lapad ng puwang.

Ang anggulo ng pagpapalihis ay nakasalalay sa lapad ng puwang:

kasalanan φ= m ·ƛ/ b

Ang mas malawak na hiwa, mas ang mga posisyon ng minima ay inililipat patungo sa gitna, at mas maliwanag ang pinakamataas sa gitna. At kung mas makitid ang hiwa na ito, magiging mas malawak at malabo ang pattern ng diffraction.

Diffraction grating

Ang phenomenon ng light diffraction ay ginagamit sa isang optical device na tinatawag diffraction grating . Makakakuha tayo ng ganoong device kung maglalagay tayo ng mga parallel slits o protrusions na may parehong lapad sa anumang ibabaw sa pantay na pagitan o maglalagay ng mga stroke sa ibabaw. Ang distansya sa pagitan ng mga sentro ng mga puwang o protrusions ay tinatawag panahon ng diffraction grating at itinalaga ng liham d . Kung sa bawat 1 mm ng rehas na bakal mayroong N mga guhit o siwang, kung gayon d = 1/ N mm.

Ang liwanag na umaabot sa ibabaw ng rehas na bakal ay pinuputol ng mga guhit o biyak sa magkakahiwalay na magkakaugnay na mga sinag. Ang bawat isa sa mga beam na ito ay napapailalim sa diffraction. Bilang resulta ng panghihimasok, sila ay lumalakas o humihina. At sa screen ay nakikita natin ang mga guhit na bahaghari. Dahil ang anggulo ng pagpapalihis ay nakasalalay sa haba ng daluyong, at ang bawat kulay ay may sariling wavelength, ang puting liwanag, na dumadaan sa isang diffraction grating, ay nabubulok sa isang spectrum. Bukod dito, ang liwanag na may mas mahabang wavelength ay pinalihis ng mas malaking anggulo. Iyon ay, ang pulang ilaw ay pinakamalakas na pinalihis sa isang diffraction grating, hindi tulad ng isang prisma, kung saan ang kabaligtaran ang nangyayari.

Ang isang napakahalagang katangian ng isang diffraction grating ay angular dispersion:

saan ∆ φ - ang pagkakaiba sa pagitan ng interference maxima ng dalawang waves,

∆ƛ - ang halaga kung saan ang haba ng dalawang alon ay nagkakaiba.

k - serial number ng diffraction maximum, binibilang mula sa gitna ng diffraction image.

Ang mga diffraction grating ay nahahati sa transparent at reflective. Sa unang kaso, ang mga slit ay pinutol sa isang screen na gawa sa opaque na materyal o ang mga stroke ay inilapat sa isang transparent na ibabaw. Sa pangalawa, ang mga stroke ay inilalapat sa ibabaw ng salamin.

Ang compact disc, pamilyar sa ating lahat, ay isang halimbawa ng reflective diffraction grating na may panahon na 1.6 microns. Ang ikatlong bahagi ng panahong ito (0.5 microns) ay ang recess (sound track) kung saan naka-imbak ang naitalang impormasyon. Nakakalat ito ng liwanag. Ang natitirang 2/3 (1.1 microns) ay sumasalamin sa liwanag.

Ang mga diffraction grating ay malawakang ginagamit sa mga instrumentong parang multo: mga spectrograph, spectrometer, spectroscope para sa mga tumpak na sukat ng haba ng daluyong.