Дифракционная решетка. Пусть в непрозрачной плоскости вырезаны N параллельных друг другу узких щелей
Пусть в непрозрачной плоскости вырезаны N параллельных друг другу узких щелей. Такая конструкция называется дифракционной решеткой. Если ширина каждой щели равна а, а расстояние между соседними щелями - b(рис. 13.12), то величину d = а + b называют постоянной решетки, или ее периодом.
Пусть на дифракционную решетку падает нормально плоская гармоническая электромагнитная волна (13.22). Чтобы найти распределение амплитуды световых колебаний на экране для наблюдения дифракционной картины, затянем щель воображаемой плоскостью, элементы которой, следуя принципу Гюйгенса, будем рассматривать в качестве источников вторичных волн.
решетка
Р О
Рис. 13.12. Дифракционная решетка
В предыдущем разделе была получена формула для амплитуды колебания, создаваемого в произвольной точке Р вторичными волнами, идущими от одной щели. От каждой из N щелей дифракционной решетки в точку Р приходят вторичные волны. Создаваемые ими колебания имеют вид
Ej = Em1 cos (ω t - (j - 1) k d sin θ + a1) , (13.32)
где j = 1, 2,..., N - номер щели. Так как площади поверхностей, которые
272
затягивают каждую из щелей, одинаковы, амплитуды этих колебаний равны одной и той же величине Em1.
Разность фаз колебаний (13.32) от двух соседних щелей, как видно из рис. 13.12, определяется разностью хода ∆ = d sin θ и равна
∆φ= k d sin θ .
В таком случае векторы А1, А2, ..., AN, представляющие колебания от различных щелей дифракционной решетки, при условии, что начало каждого вектора совмещено с концом предыдущего, образует ломаную линию, точки излома которой лежат на окружности.
Сумма векторов равна нулю, когда конец последнего вектора АN совпадает с началом первого вектора А1. При этом амплитуда Ет суммарного колебания также будет равна нулю. Такое возможно, если
∆φ =2 π т0/N
где т0 - любое целое число, кроме 0, ±N, ±2 N, ... Подставив выражение (13.33) в условие минимумов (13.34), запишем это условие так:
sin θ =2πто /N то ≠ mN (13.35)
где то - целое число.
Если разность фаз колебаний от соседних щелей равна
∆φ =2 π т , (13.36)
где т = 0, ±1, ±2,..., то все векторы А, имеют одно направление. При этом модуль их суммы будет максимален и равен
Em = N Em1 (13.37)
В тех точках дифракционной картины, где выполняется условие (13.36), будет наблюдаться максимум интенсивности света. При помощи формулы (13.33) условию максимумов можно придать вид
(13.38)
sinθ= λm/d
где m = 0, ±1, ±2,... Эта формула определяет направления распространения вторичных волн, при интерференции которых на экране образуются светлые полосы. Максимумы интенсивности света, положения которых определяются условием (13.38), называют главными, а число т называют порядком главного максимума.
Таким образом, амплитуда Ет светового колебания в какой-либо точке Р дифракционной картины зависит от угла θ, под которым идут от дифракционной решетки вторичные волны, собираемые линзой в этой точке графика. Зависимость амплитуды Ет от sin θ представлена на рис. 13.13 для N = 4 и d/a = 3. Из этого рисунка видно, что ширина главного максимума равна
2λ/(d N).
Если на решетку падает свет, содержащий волны различной длины, то главные максимумы порядка m /=0, соответствующие различным длинам волн, будут смещены друг относительно друга, т.е. решетка, как призма, разлагает свет в спектр. Одной из характеристик решетки как спектрального прибора служит разрешающая способность
R=λ/∆λ (13.39)
где ∆λ - минимальный интервал длин волн, такой, что две спектральные линии, которые соответствуют длинам волн λ и λ + ∆λ , еще могут быть разрешимы, т.е. видны раздельно. Согласно критерию Релея, две близкие спектральные линии считаются разрешенными, когда максимум одной из них совпадает с ближайшим минимумом другой.
Еm
-2λ/d -λ/d 0 λ/d 2λ/d sinθ
13.13. Дифракция Фраунгофера на решетке
Положение главного максимума в спектре m-го порядка для света с длиной волны λ определяется из условия (13.38). Ближайший к этому максимуму минимум интенсивности для света длины волны λ + ∆λ с учетом условия (13.35) определяется выражением
sinθ =(λ + ∆λ)m/d - ( λ + ∆λ)/(Nd)
В силу критерия Релея выражения (13.38) и (13.40) равны. Из этого равенства найдем, что разрешающая способность дифракционной решетки равна произведению порядка спектра
на число щелей:
R=mN. (13.41)
Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 828;