一光衍射现象

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1、一、光的衍射现象一、光的衍射现象sa(1)(1)直线传播直线传播a 几何几何 阴影区阴影区 几何几何 阴影区阴影区asE E(2)(2)发生衍射发生衍射相比拟与a2-1 2-1 光的衍射光的衍射E E 几何几何 阴影区阴影区 几何几何 阴影区阴影区二、衍射的分类二、衍射的分类1 1、菲涅耳衍射（近场衍射、菲涅耳衍射（近场衍射)PSE依光源、障碍物和观察屏三者位置关系依光源、障碍物和观察屏三者位置关系s sE EL1L22 2、夫琅和费衍射（远场衍射）、夫琅和费衍射（远场衍射）来自无穷远来自无穷远射向无穷远射向无穷远三、惠更斯三、惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理1 1、惠更斯原理、惠更斯原理从同一波

2、面上各点发出的子波从同一波面上各点发出的子波,在传在传播到空间的某一点时播到空间的某一点时,各个子波也可以互各个子波也可以互相叠加而产生干涉现象。相叠加而产生干涉现象。子波干涉子波干涉2 2、惠更斯、惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理2-2 2-2 单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射一、实验装置一、实验装置 s sE EL1L2二、单缝衍射条纹的特点二、单缝衍射条纹的特点1 1、衍射条纹明暗相间，对称分、衍射条纹明暗相间，对称分布在中央明纹两侧；布在中央明纹两侧；3 3、明纹级次越高，光强越弱。、明纹级次越高，光强越弱。2 2、中央明纹既亮又宽，为其它、中央明纹既亮又宽，为其它明纹宽度的两倍明纹宽度的

3、两倍;三、衍射条纹特点分析三、衍射条纹特点分析1 1、菲涅耳菲涅耳半波带半波带1A2AABABE aLfP2 sinaACCO12k AA122(2)暗纹（偶数个半波带）暗纹（偶数个半波带）(3)明纹中心（奇数个半波带）明纹中心（奇数个半波带）2 2、衍射明暗纹条件分析、衍射明暗纹条件分析,2,1,2)12(sin kkak,2,1,22sin kkak sina思考思考:a a、ACAC不等于半波长的整数倍时不等于半波长的整数倍时?b b、明纹级次越高、明纹级次越高,光强越弱光强越弱,怎么解释怎么解释?定性半定量研究方法定性半定量研究方法2sin ka3 3、明纹宽度、明纹宽度相邻两暗纹之间

4、的距离相邻两暗纹之间的距离()5o(1)中央明纹宽度中央明纹宽度afxl 2210kkkxxl 1111sinfxf tgfaA AB BE EO OP P a a L Lf fx kaksin(2)(2)其它明纹宽度其它明纹宽度kaksinafakakf )1(中央明纹宽度中央明纹宽度afl 20ll20)(1kktgtgf )sin(sin1kkf kkkxxl 1a a、缝愈窄、波长愈长缝愈窄、波长愈长,衍射愈显著衍射愈显著;当当 时时,各级条纹都密集于各级条纹都密集于 中央明纹附近中央明纹附近,只观察到一条亮只观察到一条亮 纹，即单缝的象。纹，即单缝的象。a 4 4、影响条纹分布的因素

5、、影响条纹分布的因素)(fakxk c c、单缝上下平移，不影响条纹分布单缝上下平移，不影响条纹分布.b b、白光入射时，除中央明纹为白色白光入射时，除中央明纹为白色外，其它明纹均为彩色条纹外，其它明纹均为彩色条纹.PHL艾艾里里斑斑dDfd22.12：艾里斑直径：艾里斑直径ddfDLP2-3 2-3 圆孔衍射圆孔衍射 光学仪器的分辨率光学仪器的分辨率一、一、夫琅和费圆孔衍射夫琅和费圆孔衍射 当单色平行光垂直照射到小圆孔上时在当单色平行光垂直照射到小圆孔上时在屏上产生明暗交替的圆环，中央为很亮的屏上产生明暗交替的圆环，中央为很亮的圆亮斑圆亮斑,叫做叫做“艾里斑艾里斑”。直径为直径为 ,对透镜光

6、心的张角为对透镜光心的张角为d2 DfdDfd 44.244.22二、光学仪器的分辨率二、光学仪器的分辨率光学仪器中的透镜、光阑相当透光小圆光学仪器中的透镜、光阑相当透光小圆孔孔.从几何光学看从几何光学看:物体通过光学仪器成象物体通过光学仪器成象时时,每个物点对应一个象点。每个物点对应一个象点。从从波动光学波动光学看看:光通过光学元件时，要光通过光学元件时，要发生衍射发生衍射,物点的象是以象点为中心的有物点的象是以象点为中心的有一定大小的艾里斑一定大小的艾里斑.光的衍射现象限制了光学仪器的分辨率光的衍射现象限制了光学仪器的分辨率.设有两个点光源经透镜后形成了两个重设有两个点光源经透镜后形成了两

7、个重叠的艾里斑叠的艾里斑,两斑中心间距两斑中心间距 .一象点的第一象点的第一暗纹恰与另一象点的中央亮纹最亮处重一暗纹恰与另一象点的中央亮纹最亮处重合时合时,两物点恰能被光学仪器所分辨两物点恰能被光学仪器所分辨.d01 1、瑞利判据、瑞利判据 二二 瑞利判据瑞利判据08.0IDfdd 22.1202 2、最小分辨角、最小分辨角0 Dfdfd 22.1200此时此时最小分辨角的倒数。单位角度内能最小分辨角的倒数。单位角度内能分辨的点数。分辨的点数。22.110DR4 4、提高光学仪器分辨率的途径：、提高光学仪器分辨率的途径：(1)(1)增大透镜孔径增大透镜孔径3 3、光学仪器分辨率、光学仪器分辨率

8、(2)(2)采用短波长的光入射采用短波长的光入射例例:在正常照度下在正常照度下,人眼瞳孔的直径为人眼瞳孔的直径为3 3 人眼对绿光最敏感人眼对绿光最敏感,其波长为其波长为550nm,550nm,人眼中人眼中玻璃液的折射率为玻璃液的折射率为n=1.336.n=1.336.mm求求:(:(1)1)人眼的最小分辨角？人眼的最小分辨角？(2)(2)在教室的黑板上画两条平行线相距在教室的黑板上画两条平行线相距为为2 ,2 ,坐在教室距黑板多远处的同坐在教室距黑板多远处的同学能看清它？学能看清它？mmn 在在玻玻璃璃液液中中 1 22.D则则mmdAmmDo2,5500,30 已已知知解解：设设学学生生离

9、离黑黑板板的的距距离离为为l 22.100Dddlld0 2-4 2-4 光栅衍射光栅衍射一、光栅一、光栅一种重要的光学器件。由不同光学性一种重要的光学器件。由不同光学性质的各部分在空间周期性排列而组成。质的各部分在空间周期性排列而组成。二、光栅衍射条纹的形成二、光栅衍射条纹的形成透射光栅透射光栅:大量的等间距的平行狭缝大量的等间距的平行狭缝组成的光学元件。组成的光学元件。baab1 1、实验装置、实验装置ab光光栅栅常常数数 一一般般在在数数量量级级:a+b101056 ma+b LEOP 2 2、光栅衍射条纹特点：、光栅衍射条纹特点：(1)(1)主极大明条纹随光栅缝数主极大明条纹随光栅缝数

10、N N的的增大非常细亮增大非常细亮(2)(2)相邻主极大明条纹分得很开，相邻主极大明条纹分得很开，其间是大片暗区其间是大片暗区.(3)各主极大明条纹强度分布轮廓各主极大明条纹强度分布轮廓与单缝衍射强度分布曲线一样与单缝衍射强度分布曲线一样.定性分析定性分析双缝衍射双缝衍射从图中看出从图中看出:双缝衍射存在单缝衍射和双缝衍射存在单缝衍射和多光束干涉的总效果。多光束干涉的总效果。多缝衍射多缝衍射（光栅）（光栅）单缝衍射单缝衍射多光束干涉多光束干涉的总效果的总效果单缝衍射单缝衍射3 3、光栅衍射图样分析、光栅衍射图样分析单缝衍射和多光单缝衍射和多光束干涉的总效果束干涉的总效果定量分析定量分析 ,2,

11、1,0sin kkbaf0p光栅方程光栅方程ba sin)(ba(1)主极大明纹主极大明纹A.A.多光束干涉结果多光束干涉结果f0p fftgx kbasin明纹坐标值明纹坐标值xbafk 最大衍射级次最大衍射级次 baKmax相邻主极大明纹间距相邻主极大明纹间距()sinabkk ()sin()abkk 11sinsin kkabd 1d d光栅常数光栅常数结结 论论：(1)(1)主极大明条纹位置由缝间干涉决定主极大明条纹位置由缝间干涉决定;abk故故sin1(2)(2)因为因为 (3)(3)相邻两级主极大的间距随光栅常数相邻两级主极大的间距随光栅常数的减小而增大。的减小而增大。AB 斜入射

12、斜入射:kbabasin)(sin)(p中央明纹中央明纹:00 x0f000tanxfff B B、单缝衍射的调制、单缝衍射的调制(1)(1)主极大光强受单缝衍射光强分布的调制主极大光强受单缝衍射光强分布的调制;缺级缺级干涉极大、衍射极小的位置干涉极大、衍射极小的位置,3,2,1 kkabak级级则则干干涉涉若若,9,6,3,3 kaba(2)(2)缺级现象缺级现象单缝衍射极小）单缝衍射极小）(sin ka （干干涉涉极极大大）kbasin明纹不出现，发生缺级。明纹不出现，发生缺级。三、衍射光谱三、衍射光谱1 1、光谱线、光谱线:单色波经光栅衍射后产生的单色波经光栅衍射后产生的一组细窄明亮的亮

13、条纹。一组细窄明亮的亮条纹。2 2、光栅光谱、光栅光谱:波长不同的波长不同的同级同级谱线集合谱线集合起来构成的一组谱线。起来构成的一组谱线。()sin(,)abkk 012 白光的光栅光谱白光的光栅光谱红绿光的光栅光谱红绿光的光栅光谱3 3、光栅光谱仪、光栅光谱仪四、干涉与衍射的区别和联系四、干涉与衍射的区别和联系 在一般问题中，干涉和衍射两者的作在一般问题中，干涉和衍射两者的作用是同时存在的。用是同时存在的。k透射光栅分光计透射光栅分光计(已知已知a+ba+b，测，测 求求 )光栅摄谱仪光栅摄谱仪1 1、根本上讲、根本上讲,本质都是波的相干叠加的结本质都是波的相干叠加的结果果,只是参与相干叠

14、加的对象不同；只是参与相干叠加的对象不同；2 2、都是明暗相间的条纹、都是明暗相间的条纹,但在光强分布函但在光强分布函数上有所不同；数上有所不同；3 3、在处理问题的方法上、在处理问题的方法上,从物理角度看从物理角度看,考虑叠加时的中心问题都是位相差考虑叠加时的中心问题都是位相差;从从数学角度看数学角度看,存在差别。存在差别。总之总之,干涉和衍射干涉和衍射本质上统一本质上统一、在形成、在形成条件、分布规律上有异条件、分布规律上有异,数学处理方法也数学处理方法也略有不同略有不同,是紧密关联的是紧密关联的同一类现象同一类现象。2-5 X2-5 X射线的衍射射线的衍射一、一、X X射线射线18951

15、895年年X X射线由德国物理学家伦琴发现射线由德国物理学家伦琴发现,它是一种电磁波它是一种电磁波,波长在波长在0.4A-10A0.4A-10A范围。范围。二、二、X X射线的衍射射线的衍射19121912年年,德国物理学家劳厄用单晶片作德国物理学家劳厄用单晶片作为衍射物观察为衍射物观察X X射线的衍射现象射线的衍射现象,在照相底在照相底片上得到一系列感光斑点片上得到一系列感光斑点劳厄斑点劳厄斑点.1.X1.X射线衍射的实验装置射线衍射的实验装置1E2EX 射射线线冷却冷却水水PKnm)1004.0(劳劳 厄厄 斑斑 点点铅板铅板单晶片单晶片 照像底片照像底片 单晶片的衍射单晶片的衍射1912

16、1912年劳厄实验年劳厄实验 1913年英国布拉格父子提出了一种解释年英国布拉格父子提出了一种解释射线衍射的方法，给出了定量结果，并于射线衍射的方法，给出了定量结果，并于1915年荣获物理学诺贝尔奖年荣获物理学诺贝尔奖.布布 拉拉 格格 反反 射射d入射波入射波散射波散射波oCAB掠射角掠射角d晶格常数晶格常数 相邻两个晶面相邻两个晶面反射的两反射的两X射线干射线干涉涉加强的条件加强的条件 布拉格公式布拉格公式,2,1,0kkdsin2CBAC sin2d布布 拉拉 格格 反反 射射d入射波入射波散射波散射波oCAB 用途用途 测量射线的波长研究测量射线的波长研究X射线谱，射线谱，进而研究原子结构；研究晶体的结构，进一进而研究原子结构；研究晶体的结构，进一步研究材料性能步研究材料性能.例如对大分子例如对大分子 DNA 晶体晶体的成千张的的成千张的X射线衍射照片的分析，显示出射线衍射照片的分析，显示出DNA分子的分子的双螺旋双螺旋结构结构.布拉格公式布拉格公式,2,1,0kkdsin2DNA 晶体的晶体的X衍射照片衍射照片DNA 分子的分子的双螺旋结构双螺旋结构