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1、关于光栅衍射 X射线1第一页，本课件共有32页大量平行等宽等间距的狭缝大量平行等宽等间距的狭缝(或反射或反射面面)构成的光学元件。构成的光学元件。一、光栅一、光栅衍射光栅衍射光栅(透透射光栅射光栅)反射光栅反射光栅从工作原理分从工作原理分(闪耀光栅闪耀光栅)2第二页，本课件共有32页二、衍射光栅二、衍射光栅机制光栅机制光栅全息光栅全息光栅 在玻璃片上刻划出一系列平在玻璃片上刻划出一系列平行等距的划痕，刻过的地方不行等距的划痕，刻过的地方不透光，未刻地方透光。透光，未刻地方透光。通过全息照相，将激光产通过全息照相，将激光产生的干涉条纹在干板上曝光，生的干涉条纹在干板上曝光，经显影定影制成全息光栅
2、。经显影定影制成全息光栅。1.光栅制作光栅制作3第三页，本课件共有32页通常在通常在 1 cm 内刻有成千上万条透光狭缝，相内刻有成千上万条透光狭缝，相当于多光束干涉，光栅形成的光谱线，尖锐、当于多光束干涉，光栅形成的光谱线，尖锐、明亮。明亮。单缝衍射条纹单缝衍射条纹光栅衍射谱线光栅衍射谱线通常让光栅工作于夫琅禾费衍射条件下。通常让光栅工作于夫琅禾费衍射条件下。4第四页，本课件共有32页2.光栅常数光栅常数透光缝宽度透光缝宽度 a不透光缝宽度不透光缝宽度 b光栅常数光栅常数三、光栅方程三、光栅方程 与光轴成与光轴成角的两两相邻光线的光程差都相同。如角的两两相邻光线的光程差都相同。如果在某个方向
3、上，相邻两光线光程差为果在某个方向上，相邻两光线光程差为 k，则所有光线，则所有光线在该方向上都满足加强条件。在该方向上都满足加强条件。平行于光轴的光线将在平行于光轴的光线将在焦点的位置产生焦点的位置产生0级极大。级极大。5第五页，本课件共有32页用平行光垂直用平行光垂直照射在光栅上，照射在光栅上，相邻两条光线相邻两条光线的光程差的光程差加强加强光栅方程光栅方程把满足上式的极大称为主极大。把满足上式的极大称为主极大。6第六页，本课件共有32页四、谱线位置四、谱线位置加强加强当当 角很小时角很小时由光栅方程由光栅方程明纹明纹7第七页，本课件共有32页例例1：分光计作光栅实验，用波长分光计作光栅实
4、验，用波长 =632.8 nm的激光照的激光照射光栅常数射光栅常数 d=1/300 mm的光栅上，问最多能看到几条的光栅上，问最多能看到几条谱线。谱线。解：解：在分光计上观察谱线，最大衍射角为在分光计上观察谱线，最大衍射角为 90,取取能观察到的谱线有能观察到的谱线有5级共级共11条为：条为：8第八页，本课件共有32页光栅衍射在相邻的主极大之间有一个很宽的暗区，是多光束光栅衍射在相邻的主极大之间有一个很宽的暗区，是多光束叠加的结果。对于某一衍射角叠加的结果。对于某一衍射角，相邻狭缝的位相差相同。，相邻狭缝的位相差相同。合振动的幅度为合振动的幅度为合成的光振动是一个同振幅、同频率、合成的光振动是
5、一个同振幅、同频率、有恒定位相差的振动合成。设光栅共有恒定位相差的振动合成。设光栅共有有N条狭缝：则条狭缝：则对于光来说合成的振幅：对于光来说合成的振幅：9第九页，本课件共有32页对于光来说合成的振幅：对于光来说合成的振幅：当当 sin(N/2)=0时，屏上时，屏上出现暗纹。出现暗纹。mN(m=N时时=2是极大），即是极大），即m不能为不能为N的倍数。的倍数。由上面的计算知：在主极大之间，有由上面的计算知：在主极大之间，有N-1个极小。因光栅条数个极小。因光栅条数很大，（在很大，（在100/cm10000/cm）故极小连成一片暗区。）故极小连成一片暗区。在极小之间，还有一些次极大，亮度很小。在
6、极小之间，还有一些次极大，亮度很小。注意：这里的注意：这里的N是指总条数是指总条数10第十页，本课件共有32页播放动画播放动画11第十一页，本课件共有32页播放动画播放动画图中的图中的N表示光栅的总条数。与单位长度的条数表示光栅的总条数。与单位长度的条数n=1/(a+b)不同。不同。12第十二页，本课件共有32页例例2：用波长：用波长632.8nm的平行光垂直入射于（的平行光垂直入射于（1）每厘米）每厘米有有500条刻线（条刻线（2）每厘米有）每厘米有8000条刻线的光栅，分别条刻线的光栅，分别计算两种光栅的第一级，第二级明条纹的衍射角。计算两种光栅的第一级，第二级明条纹的衍射角。解：对解：对
7、500条刻线的光栅条刻线的光栅 (a+b)=0.01/n第一级：第一级：(a+b)sin=1.80第二级：第二级：=3.60对对8000条刻线的光栅条刻线的光栅第一级第一级=30.80第二级第二级13第十三页，本课件共有32页这样，斜入射光栅的光栅方程为：这样，斜入射光栅的光栅方程为：5.光栅斜入射情况光栅斜入射情况两两相邻光线的光程差两两相邻光线的光程差仍都相同。仍都相同。式中式中 角的正负规定：角的正负规定：衍射光线和入射光线在衍射光线和入射光线在光栅平面法线同侧时光栅平面法线同侧时 0，反之，反之 0。明纹明纹14第十四页，本课件共有32页例例3.波长为波长为 500nm 的单色光，以的
8、单色光，以 30入射角照射在光栅上，入射角照射在光栅上，发现原在垂直入射时的中央明条纹的位置现在改变为第二级发现原在垂直入射时的中央明条纹的位置现在改变为第二级光谱的位置，求此光栅每光谱的位置，求此光栅每 1cm 上共有多少条缝？最多能看到上共有多少条缝？最多能看到几级光谱？共可看到几条谱线？几级光谱？共可看到几条谱线？原中央明纹处原中央明纹处=0，=300，k=2令令 =p/2，得，得 可以看到可以看到5级光谱，级光谱，7条谱线为：条谱线为：k=0,1,2,3,4,5解：光线斜入射时解：光线斜入射时15第十五页，本课件共有32页五、缺级现象五、缺级现象1.光栅衍射是单缝衍射与多光束干涉合光栅
9、衍射是单缝衍射与多光束干涉合成的结果，光栅中各主极大受到单缝衍射成的结果，光栅中各主极大受到单缝衍射光强的调制。光强的调制。2.当光栅明纹当光栅明纹处恰满足单缝处恰满足单缝衍射暗纹条件，衍射暗纹条件，该处光强为该处光强为 0，出现缺级。出现缺级。0I单单-2-112I048-4-8单缝衍射单缝衍射 轮廓线轮廓线光栅衍射光栅衍射光强曲线光强曲线16第十六页，本课件共有32页播放动画播放动画17第十七页，本课件共有32页单缝衍射单缝衍射减弱减弱条件条件:光栅衍射光栅衍射加强加强条件：条件：两式相比两式相比3.缺级条件缺级条件I单单0-2-112I048-4-8单缝衍射单缝衍射 轮廓线轮廓线光栅衍射
10、光栅衍射光强曲线光强曲线易见上式中仅当易见上式中仅当(a+b)/a是整数是整数(分数）分数）时才发生缺级时才发生缺级18第十八页，本课件共有32页I单单0-2-112I048-4-8单缝衍射单缝衍射 轮廓线轮廓线光栅衍射光栅衍射光强曲线光强曲线m为整数时，光栅谱线中为整数时，光栅谱线中m、2m、3m等处缺级。等处缺级。当当 m=4 时时谱线中的第谱线中的第 8、4、4、8级条纹缺级。级条纹缺级。当当 m=3/2 时时谱线中的第谱线中的第 6、3、3、6级条纹缺级。级条纹缺级。19第十九页，本课件共有32页X射线衍射射线衍射20第二十页，本课件共有32页一、一、X射线射线 1895年德国物理学家
11、伦琴用克鲁斯克管年德国物理学家伦琴用克鲁斯克管的阴极射线作实验，偶然发现附近桌上的荧的阴极射线作实验，偶然发现附近桌上的荧光屏上发出了光，伦琴用一张黑纸挡住管子，光屏上发出了光，伦琴用一张黑纸挡住管子，荧光仍存在，而用一片金属板就挡住了，他荧光仍存在，而用一片金属板就挡住了，他称这种射线为称这种射线为 X 射线。射线。历史上第一张历史上第一张X射线照片，就是伦琴拍摄射线照片，就是伦琴拍摄他夫人手的照片。由于他夫人手的照片。由于X射线的发现具有重射线的发现具有重大的理论意义和实用价值，伦琴于大的理论意义和实用价值，伦琴于1901年年获得首届诺贝尔物理学奖。获得首届诺贝尔物理学奖。21第二十一页，
12、本课件共有32页22第二十二页，本课件共有32页 伦琴夫人看了照片后害怕地说：这简直伦琴夫人看了照片后害怕地说：这简直象魔鬼的手。象魔鬼的手。23第二十三页，本课件共有32页24第二十四页，本课件共有32页X 射线射线二、二、X射线性质射线性质冷却液冷却液1.X射线波长很射线波长很短，穿透力很强。短，穿透力很强。2.X 射线在磁场或电场中不发生偏转，是射线在磁场或电场中不发生偏转，是一种电磁波。一种电磁波。衍射现象很小。衍射现象很小。3.X射线产生机制射线产生机制金属靶金属靶克鲁斯克管克鲁斯克管25第二十五页，本课件共有32页X 射线有两种产生机制射线有两种产生机制 一种是由于高能电子打到靶上
13、后，电子一种是由于高能电子打到靶上后，电子受原子核电场的作用而速度骤减，电子的受原子核电场的作用而速度骤减，电子的动能转换成辐射能动能转换成辐射能-轫制辐射，轫制辐射，X光谱连光谱连续。续。其次是高能电子将原子内层的电子激发出其次是高能电子将原子内层的电子激发出来，当回到基态时，辐射出来，当回到基态时，辐射出 X 射线，光谱射线，光谱不连续。不连续。伦琴未发现伦琴未发现X射线的衍射现象，射线的衍射现象，光栅缝宽光栅缝宽因为因为26第二十六页，本课件共有32页三、劳厄斑三、劳厄斑 1912年德国慕尼黑大学的实验物理学年德国慕尼黑大学的实验物理学教授冯教授冯劳厄用晶体中的衍射拍摄出劳厄用晶体中的衍
14、射拍摄出X射线衍射线衍射照片。由于晶体的晶格常数约射照片。由于晶体的晶格常数约10nm，与与 X 射线波长接近，衍射现象明显。射线波长接近，衍射现象明显。单晶片单晶片X射线射线照相底片照相底片27第二十七页，本课件共有32页劳厄于劳厄于1914年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。四、布拉格公式四、布拉格公式 1913年英国的布拉格父子，提出了另一年英国的布拉格父子，提出了另一种精确研究种精确研究 X 射线的方法，并作出了精确的射线的方法，并作出了精确的定量计算。定量计算。由于父子二人在由于父子二人在X射线研究晶体射线研究晶体结构方面作出了巨大贡献，于结构方面作出了巨大贡献，于1915年共获
15、年共获诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。晶体是由彼此相互平晶体是由彼此相互平行的原子层构成。行的原子层构成。28第二十八页，本课件共有32页晶格常数：晶格常数：X射线经射线经两晶面反两晶面反射产生干涉，两射产生干涉，两束光的光程差为：束光的光程差为：加强加强布拉格公式布拉格公式掠射角掠射角:X 射线射到晶面时与晶面夹角射线射到晶面时与晶面夹角。C29第二十九页，本课件共有32页x射线分光计射线分光计:谱线连续分布的谱线连续分布的x射射线照射到晶体线照射到晶体 后，后，不同的频率在不同的不同的频率在不同的角度上产生极大。角度上产生极大。30第三十页，本课件共有32页例例935 以波长为以波长为1.
16、1010-10m的的X-射线照射某晶面，射线照射某晶面，在与晶面成在与晶面成11015入射时获得第一级极大反射光，问该晶入射时获得第一级极大反射光，问该晶体晶面间距体晶面间距d为多大为多大?以一束待测的以一束待测的X-射线照射该晶面，射线照射该晶面，测得第一级极大的反射光相应的入射线与晶面夹角为测得第一级极大的反射光相应的入射线与晶面夹角为17030问待测问待测x射线的波长是多少射线的波长是多少?解：由布拉格公式解：由布拉格公式入射线与晶面夹角入射线与晶面夹角17030时=2dsin=22.8210-10sin 17030=1.710-10（m）31第三十一页，本课件共有32页感感谢谢大大家家观观看看2/28/2023第三十二页，本课件共有32页