Путем исследования дифракционной картины можно определить спектральный состав излучения и измерить длины волн спектральных линий. Для определения тонкой структуры узких спектральных интервалов используют интерферометры.
Используя метод скользящего падения излучения на оптическую дифракционную решётку можно точно измерить длину волны монохроматического рентгеновского излучения. Изучая далее дифракцию этого излучения на естественном кристалле, можно измерить в абсолютных единицах постоянную решетки этого кристалла (рентгеноструктурный анализ). После этого такой кристалл может быть использован в рентгеновском спектрографе для измерения длин волн рентгеновского излучения и анализа рентгеновского излучения (рентгеновская спектроскопия).
Экспериментальная часть
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1 Познакомиться с теоретическим описанием явления дифракции света.
2 Познакомиться с методом измерения длины световой волны с помощью дифракционной решётки.
3 Измерить длины световых волн для лучей красного, зеленого и фиолетового, цветов, угловую и линейную дисперсию в видимом диапазоне.
Для выполнения работы применяется установка, состоящая из осветителя 1, щелевого механизма 2, линз 3 и 5, дифракционной решётки 4 и экрана 6 с делениями (см. рисунок 11). Осветитель 1 через щель 2 испускает узкий пучок света, который, проходя через линзу 3, становится плоскопараллельным и падает нормально в виде плоской волны на дифракционную решетку 4. Экран 6 располагается в фокальной плоскости собирающей линзы 5.
1 Включите блок питания осветителя в сеть ~ 220 В.
2 Перемещением линзы 5 вдоль рельса добейтесь четкого изображения центральной полосы (m = 0) и спектров m = 1 и m = 2 порядков. Ослабив два винта ниже линейки (экрана с делениями), установите "0" шкалы на центральную световую полосу (m = 0). Получите симметричную картину относительно центра линейки.
3 Линейкой измерьте расстояние f от линзы 5 до линейки (экрана) 6.
4 Измерьте по шкале экрана средние (от значений справа и слева) расстояния 
от центра для лучей красного, зеленого, фиолетового цвета для m = 1 и m = 2 порядков, соответственно. Значения для лучей соответствующего цвета за
 |
несите в таблицу 1.
5 Определите углы отклонения лучей красного, зеленого, фиолетового цвета для m = l и m = 2 порядков, соответственно, по формуле:
,
т.к. углы дифракции j - малы. Значения углов j занесите в таблицу 1.
6 Рассчитайте длины волн l видимого света для лучей красного, зеленого, фиолетового цвета по формуле:
,
где d = 1×10-5 м (d - период решетки),
m = 1 и m = 2 (m - порядок спектра).
Значения l занесите в таблицу 1.
Таблица 1
| m =1 | 
| 
| 
| j1ф | j1з | j1к | l1ф, м | l1з, м | l1к, м |
| m =2 | 
| 
| 
| j2ф | j2з | j2к | l2ф, м | l2з, м | l2к, м |
| Средние значения длин волн для фиолетового, зеленого, красного цвета |  =
|  =
|  =
|
7 Сравните средние значения длин волн 
из таблицы 1 для лучей фиолетового, зеленого, красного цвета со справочными из таблицы 2 (учтите, что 1 м = 109 нм = 1010 Å).
Таблица 2
| Цвет | Диапазон длин волн | |
| фиолетовый | 380¸450 нм | 3800¸4500 Å |
| зеленый | 510¸550 нм | 5100¸5500 Å |
| красный | 620¸760 нм | 6200¸7600 Å |
8 Рассчитайте средние значения угловой дисперсии 
и линейной дисперсии 
в видимом диапазоне для m = 1 порядка:
, 
.
Размерности дисперсий:
[Dj] = [j] / [l] = 1 / м = м-1;
[DL] = [L] / [l] = м / м = 1 (т.е. безразмерная величина).
9 Сделайте вывод по результатам работы.
6 Контрольные вопросы
1 Объясните сущность явления дифракции света и механизм ее возникновения.
2 Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.
3 Физические основы дифракции Фраунгофера на щели.
4. Назначение дифракционной решетки. Условие главных максимумов. Характер распределения интенсивности света на экране.
5 Характеристики спектральных приборов (дисперсия, разрешающая способность).
6 Сформулируйте критерий Рэлея.
7 Применение явления дифракции.
Литература, рекомендуемая для изучения физики
1 Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова.-М.: Высшая школа, 2004.-544 с.
2 Савельев, И.В. Курс общей физики: учебное пособие для вузов в 5 кн. / И.В. Савельев.-М.: Астрель, АСТ, 2002.
Кн.4: Волны. Оптика.-256 с.
3 Иродов, И.Е. Волновые процессы. Основные законы / И.Е. Иродов.-М.: Лаборатория Базовых знаний, 2001.-256 с.
4 Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.-М.: Высшая школа, 2000.-718 с.
5 Яворский, Б.М. Справочное руководство по физике / Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнев.-М.: Наука, 1989.-576 с.
6 Сивухин, Д.В. Общий курс физики: учебное пособие для вузов в 5 т. / Д.В. Сивухин.-М.: ФИЗМАТЛИТ МФТИ, 2002.
Т.4: Оптика.-792 с.
7 Ландсберг, Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. -М.: Наука. 1976.-928 с.
8 Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров.-М.: Большая Российская энциклопедия, 1988.
Т.1: Ааронова – длинные.-704 с.
9 Трофимова, Т.И. Сборник задач по курсу физики с решениями / Т.И. Трофимова, З.Г. Павлова.-М.: Высшая школа, 2003.-591 с.