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1、理科物理光学8光栅的衍射图样光栅的衍射图样3 条缝条缝5 条缝条缝20 条缝条缝23-5 光栅光栅2012-12-202刘庆国-衍射广义的光栅：任何能够等间隔地分割光波阵面的装置都是光栅。广义的光栅：任何能够等间隔地分割光波阵面的装置都是光栅。例如：沙网、编的席子、扇子、眼睫毛例如：沙网、编的席子、扇子、眼睫毛最简单最常用：一组平行等宽等间隔的狭缝最简单最常用：一组平行等宽等间隔的狭缝100mm 宽的光栅总刻痕数宽的光栅总刻痕数光栅常数光栅常数a 透光部分的宽度透光部分的宽度b 不透光部分的宽度不透光部分的宽度23-5-1 光栅的衍射光栅的衍射2012-12-203刘庆国-衍射(1)、O点至点
2、至N 个点光源的光程相同，位相相同，相互加强形成明个点光源的光程相同，位相相同，相互加强形成明条纹，为中央条纹，为中央(0 级级)主极大。主极大。单色平行光垂直入射，透射光形成单色平行光垂直入射，透射光形成 N 个点光源，满足相干条个点光源，满足相干条件，且初位相相同。件，且初位相相同。(2)、P 点，相邻两点光点，相邻两点光源的光程差源的光程差 多光束干涉加强，形成明条纹，称为多光束干涉加强，形成明条纹，称为 k 级主极大，对称分布级主极大，对称分布在中央明条纹的两侧。在中央明条纹的两侧。23-5-1 光栅的衍射光栅的衍射2012-12-204刘庆国-衍射(3)、主极大光强、主极大光强一条缝
3、在一条缝在 P 点产生的光振动的振幅点产生的光振动的振幅一条缝在一条缝在 P 点产生的光强点产生的光强N 条缝在条缝在 P 点产生的光振动的振幅点产生的光振动的振幅P 点的光强点的光强光栅的干涉条纹比一条缝发出的光强大很多倍光栅的干涉条纹比一条缝发出的光强大很多倍(4)、极小的位置、极小的位置整个光栅可分成两个半整个光栅可分成两个半波带，在波带，在 P 点叠加相消，点叠加相消，形成一条暗条纹。形成一条暗条纹。23-5-1 光栅的衍射光栅的衍射2012-12-205刘庆国-衍射(5)、次极大的位置、次极大的位置分析在分析在 0 级主极大和级主极大和 1 级主极大之间有几个极小级主极大之间有几个极
4、小?0 级主极大级主极大1 级主极大级主极大2 个半波带、极小个半波带、极小4 个半波带、极小个半波带、极小2(N-1)个半波带、极小个半波带、极小在在 0 级主极大和级主极大和 1 级主极大之间有级主极大之间有 N-1 个极小，个极小，N-2 个次极大个次极大23-5-1 光栅的衍射光栅的衍射2012-12-206刘庆国-衍射(6)、光栅衍射条纹的特点：、光栅衍射条纹的特点：次极大一般也很弱，当次极大一般也很弱，当 N 很大很大时，次极大看不见；在黑暗的时，次极大看不见；在黑暗的背景上只呈现又细又亮的主极背景上只呈现又细又亮的主极大明条纹。大明条纹。N=8 的情况：的情况：7 个极小，个极小
5、，6 个次极大个次极大0 级主极大级主极大1 级主极大级主极大背景背景N-1 个极小个极小N-2 个次极大个次极大23-5-1 光栅的衍射光栅的衍射2012-12-207刘庆国-衍射(7)(7)、明条纹的半角宽度、明条纹的半角宽度 N 越大、中央条纹越细越大、中央条纹越细(锐锐)当当 N 很大时很大时一级极大的角位置一级极大的角位置23-5-1 光栅的衍射光栅的衍射2012-12-208刘庆国-衍射 光栅衍射主极大的强度要受单缝衍光栅衍射主极大的强度要受单缝衍射的影响；单缝衍射光强不为射的影响；单缝衍射光强不为 0 的方的方向上，光栅的衍射主极大才能出现；向上，光栅的衍射主极大才能出现；单缝衍
6、射强度为单缝衍射强度为 0 的方向上，即使满的方向上，即使满足光栅衍射主极大条件，也无主极大。足光栅衍射主极大条件，也无主极大。即光栅衍射主极大，受到单缝衍射的即光栅衍射主极大，受到单缝衍射的调制。调制。实际上，由于单缝的衍射作用，实际上，由于单缝的衍射作用，在不同方向上是不同的。在不同方向上是不同的。以上光栅衍射主极大的强度分布曲线是在各缝在各方向衍以上光栅衍射主极大的强度分布曲线是在各缝在各方向衍射光强都一样的条件下得出的。即射光强都一样的条件下得出的。即 的大小与方向无关。的大小与方向无关。23-5-2光栅衍射的缺级现象光栅衍射的缺级现象2012-12-209刘庆国-衍射光栅光栅23-5
7、-2光栅衍射的缺级现象光栅衍射的缺级现象2012-12-2010刘庆国-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 在应该出现光栅衍射主极大的方向上，由于单缝衍射极小，在应该出现光栅衍射主极大的方向上，由于单缝衍射极小，主极大不会出现，称为光栅衍射的主极大不会出现，称为光栅衍射的缺级缺级现象。现象。例如：例如：时，缺级时，缺级时，缺级时，缺级演示演示21-5 光栅衍射光栅衍射.mpg两式相除两式相除23-5-2光栅衍射的缺级现象光栅衍射的缺级现象2012-12-2011刘庆国-衍射23-5-3 光栅衍光谱光栅衍光谱光栅方程：光栅方程：
8、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 小小 小，有多级光谱小，有多级光谱 匀排光谱匀排光谱光谱特点：光谱特点：2012-12-2012刘庆国-衍射比较比较棱镜光谱棱镜光谱23-5-3 光栅衍光谱光栅衍光谱 小小 大，只有一级大，只有一级 棱镜光谱为非匀排光谱棱镜光谱为非匀排光谱光谱特点：光谱特点：2012-12-2013刘庆国-衍射光谱学小知识光谱学小知识 连续光谱连续光谱(白光光谱白光光谱)-由炽热的物体发出，例如：太阳光谱由炽热的物体发出，例如：太阳光谱 线状光谱线状光谱(原子光谱原子光谱)-由原子发出，例如：氢原子光谱由原子发出，例如：氢原子光谱
9、 带状光谱带状光谱(分子光谱分子光谱)-由分子发出由分子发出23-5-3 光栅衍光谱光栅衍光谱2012-12-2014刘庆国-衍射23-6 23-6 x 射线的衍射射线的衍射 1895 年伦琴发现年伦琴发现 x 射线，射线，1906 年获首届诺贝尔物理奖年获首届诺贝尔物理奖2012-12-2015刘庆国-衍射x 射线射线真空管中：真空管中：K 热阴极，电流加热，发射电子热阴极，电流加热，发射电子A 阳极阳极(对阴极对阴极)，材料：钼、铜、钨，材料：钼、铜、钨AK 之间加高电压之间加高电压 使电子加速到很高的能量，轰击阳使电子加速到很高的能量，轰击阳极，阳极极，阳极内层电子内层电子被激发。被激发
10、。被激发的内层电子从激发态跃迁至被激发的内层电子从激发态跃迁至基态时，释放能量，发出基态时，释放能量，发出 x 射线射线。(1)、x 射线的产生射线的产生(2)、x 射线的特性射线的特性 x 射线是波长很短的电磁波，穿透能力很强，但不能穿过射线是波长很短的电磁波，穿透能力很强，但不能穿过铅板，可以使得感光材料感光。例如：医院的铅板，可以使得感光材料感光。例如：医院的 x 光片。光片。23-6 23-6 x 射线的衍射射线的衍射 2012-12-2016刘庆国-衍射(3)、x 射线衍射实验射线衍射实验-劳厄实验劳厄实验(1912 年年)x射射线线管管单单晶晶体体感感光光底底片片劳劳厄厄斑斑点点铅
11、铅板板23-6 23-6 x 射线的衍射射线的衍射 2012-12-2017刘庆国-衍射x 光相干加强的条件：光相干加强的条件：布拉格公式布拉格公式 d 晶格常数晶格常数-两层原子之间的距离，两层原子之间的距离，为同一量级为同一量级(4)(4)、布喇格公式、布喇格公式(1913年年)布喇格认为：劳厄斑点是布喇格认为：劳厄斑点是 x 射线在晶体晶格上的散射波射线在晶体晶格上的散射波干涉叠加的结果。干涉叠加的结果。21-4 21-4 x 射线的衍射射线的衍射 2012-12-2018刘庆国-衍射伦琴射线波谱学伦琴射线波谱学晶体结构分析晶体结构分析研究原子的研究原子的 x 射线谱，进而研究原子的内层
12、结构；射线谱，进而研究原子的内层结构；研究晶体的结构，进而研究材料的性能；研究晶体的结构，进而研究材料的性能；当代材料科学当代材料科学-纳米技术纳米技术式中式中 两个物理量都是微小物理量两个物理量都是微小物理量 (5)(5)、布喇格公式的应用、布喇格公式的应用两个物理量中，已知其一可求其二：两个物理量中，已知其一可求其二：21-4 21-4 x 射线的衍射射线的衍射 2012-12-2019刘庆国-衍射平行单色光垂直入射光栅平行单色光垂直入射光栅例题例题-1第二级主极大角位置第二级主极大角位置 ，第，第3 级缺级。级缺级。求：光栅常数求：光栅常数 d=?a=?最多能看到几条主极大条纹最多能看到
13、几条主极大条纹?解：光栅方程解：光栅方程第第3 级缺级，共能看到级缺级，共能看到 5 条主极大条纹条主极大条纹第第3 级缺级级缺级2012-12-2020刘庆国-衍射 单色平行光单色平行光 =500nm以以 0=30o 斜入射斜入射到到 d=0.01mm的光栅上，的光栅上，(1)(1)求：求：0 级谱线的衍射角级谱线的衍射角?例题例题-2解：相邻两缝的光程差解：相邻两缝的光程差最高最高 29 级；共级；共 39 条谱线条谱线解：解：(2)求：求：0 级谱线两侧可能见到的谱线级谱线两侧可能见到的谱线的最高级次和总的谱线数的最高级次和总的谱线数?2012-12-2021刘庆国-衍射解：解：100
14、线线/mm设设 第第 k 级光谱与级光谱与 k+1 级光谱重叠级光谱重叠平行白色光平行白色光(400-760nm)垂直入射垂直入射100 线线/mm光栅，光栅，问：几级光谱开始发生重叠问：几级光谱开始发生重叠?例题例题-32 级级开始重叠开始重叠当当 时，发生重叠时，发生重叠2012-12-2022刘庆国-衍射小小 结结光栅常数光栅常数(1)、光栅：一系列等宽、等间距、平行排列的狭缝、光栅：一系列等宽、等间距、平行排列的狭缝光栅衍射公式光栅衍射公式条纹特点：细、亮条纹特点：细、亮光栅缺级光栅缺级(2)、x 射线的衍射射线的衍射布喇格公式布喇格公式晶格常数晶格常数 d2012-12-2023刘庆
15、国-衍射(1)、理解光栅衍射条纹的特点，及产生这些特点的原因；、理解光栅衍射条纹的特点，及产生这些特点的原因；(2)、理解光栅的衍射公式；、理解光栅的衍射公式；(3)、能够确定光栅衍射主极大出现的位置；、能够确定光栅衍射主极大出现的位置；(4)、能够分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响；、能够分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响；(5)、了解光栅的缺级现象；、了解光栅的缺级现象；(6)、了解光栅光谱的形成；、了解光栅光谱的形成；波动光学波动光学光的干涉光的干涉-振动位相问题振动位相问题光的衍射光的衍射-振动位相问题振动位相问题光的偏振光的偏振-振动方向问题振动方向问题要要 求求2012-12-2024刘庆国-衍射此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢