Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 92
Текст из файла (страница 92)
Это свойство днфракцнонной решетки используется для исследования спектрального состава света (определенна длнн волн н интенсивностей всех монохроматнческнх компонентов), т. е, дифракционная решетка может быть использована как спектральный прибор, Днфракционные решетки, используемые в различных областях спектра, различаются размерами, формой, материалом поверхности, профилем штрихов и их частотой (от 6000 до 0,25 штрнх/мм, что позволяет перекрывать область спектра от ультрафиолетовой его части до инфракрасной).
Например, ступенчатый ярофиль решетки позволяет концентрировать основную часть падающей энергия в направлении одного определенного ненулевого порядка. й 181. Пространственная решетка. Рассеяние света Дифракция света наблюдается не только на плоской одномерной решетке (штрнхн нанесены перпендикулярно некоторой прямой линии), но н на двумерной решетке (штрнхн нанесены во взаимно перпендикулярных направлениях в одной и той же плоскости). Большой интерес представляет также дифракцня на пространственных (трехмерных) решетках — пространственных образованиях, в которых элементы структуры подобны по форме, имеют геометрически правильное и периодически по. вторяющееся расположение, а также постоянные (перноды) решеток, соизмеримые с длиной волны электромагнитного излучения, Иными словами, подобные пространственные образования должны иметь периодичность по трем не лежащим в одной плоскости направлениям.
В качестве пространственных днфракцнонных решеток могут быть использованы кристалли. ческне тела, так как в ннх неоднородности (атомы, молекулы, ионы) регулярно повторяются в трех направлениях, Дифракцня света может происходить также в так называечых мутных средах— средах с явно выраженными оптическими неоднородностями. К мутным средам относятся аэрозоли (облака, дым, туман), эмульсия, коллоидные растворы н т. д., т.
е. такие среды, в которых взвешено множество очень мелких частиц инородных веществ. Свет, проходя через мутную среду, дифрагнрует от беспорядочно расположенных микронеоднородностей, давая равномерное распределение интенсивностей по всем направлениям, не создавая какой-лабо определенной дифракционной картины. Происходит так называемое рассеяние света а мутной среде.
Это явление можно наблюдать, ьапрнмер, когда узкий пучок солнечных лучей, проходя через запыленный воздух, рассеивается на пылинках н становится тем самым видимым. Рассеяние света (как правило, слабое) наблюдается также н в чистых средак, не содержащих посторонних частиц. Л. И, Мандельштам объяснил рассеяние света в средах нарушением их оптической однородности, при котором показатель преломления среды не постоянен, а меняется от точки к точке.
В дальнейшем польский физик М. Смолуховскнй (1872— 19!7) указал, что причиной рассеяния света могут быть также флуктуации плотности, возникающие в процессе хаотического теплового движения молекул среды. Рассеяние света в чистых средах, обусловленное флуктуациями плотности, анизотропнн нли концентрации, называется молекулярным рвссеяннем.
Молекулярным рассеянием объясняется, например, голубой цвет неба. Согласно закону Д. Рэлея, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (! -). '), поэтому голубые и синие лучи рассеивают- 5. Оптика Кааптоааи 294 природа аз. уч а ся сильнее, чем желтые и красные, обусловливая тем самым голубой цвет неба. По этой же причине свет, прошедший через значительную толщу атмосферы, оказывается обогащенным более длинными волнами (сине-фиолетовая часть спектра полностью рассеивается) и поэтому при закате и восходе Солнце кажется красным. Флуктуации плотности н интенсивность рассеяния света возрастают с увеличением температуры.
Поэтому в ясный летний день цвет неба является более насыщенным по сравнению с таким же зимним днем. й !82. Днфракция иа пространственной решетке. Формула Вульфа — Брэггов Для наблюдения дифракционной картины необходимо, чтобы постоянная решетки была того же порядка, что и длина волны падающего излучения (см. (180.3) ). Кристаллы, являясь трехмерными пространственными решетками (см. $!81), имеют постоянную порядка 1О 'а м и, следовательно, непригодны для наблюдения дифракцнн в видимом свете (Хпн яв5.10 ' м).
Эти факты позволили немецкому физику М. Лауз (1879 †!960) прийти к выводу, что в качестве естественных дифракционных решеток для рентгеновского излучения можно использовать кристаллы, поскольку расстояние между атомами в кристаллах одного порядка с й рентгеновского излучения ( 1О : !О-а и) Простой метод расчета дифракции рентгеновского излучения от кристаллической решетки предложен независимо друг от друга советским физиком Г. В. Вульфом (1863 — !925) и английскими физиками Г.
и Л. Брэггами (огец (! 862 — !942) и сын (!890 — !971)). Они предположили, что дифракция рентгеновских лучей является результатом их отражения от системы параллельных кристаллографических плоскостей (плоскостей, в которых лежат узлы (атомы) кристаллической решетки). Представим кристаллы в виде совокупности параллельных кристаллографических плоскостей (рис. 264), отстоящих друг в я Я. Рас. 264 от друга на расстоянии И. Пучок параллель. ных монохроматнческих рентгеновских лучей (1, 2) падает под углом скольжения В (угол между направлением падающих лучей и кристаллографической плоскостью) и возбуждает атомы кристаллической решетки, которые становятся источниками когерентных вторичных волн Ли 2', интерферирующнх между собой, подобно вторичным волнам, от щелей дифракционной решетки.
Максимумы интенсивности (дифракцнонные максимумы) наблюдаются в тех направлениях, в которых все отраженные атомными плоскостями волны будут находиться в одинаковой фазе. Эти направления удовлетворяют формуле Вульфа — Брзггов 2й з(п В=тй (гп=1, 2, 3, ...), (182.1) т. е. при разности хода между двумя лучами, отраженными от соседних кристаллографических плоскостей, кратной целому числу длин волн )., наблюдается дифракцнонный максимум. При произвольном напранлении падения монохроматического рентгеновского излучения на кристалл дифракцня не возникает. Чтобы ее наблюдать, надо, поворачивая кристалл, найти угол скольжения. Днфракционная картина может быть получена и при произвольном положении кристалла, для чего нужно пользоваться непрерывным рентгеновским спектром, испускаемым рентгеновской трубкой. Тогда для таких условий опыта всегда найдутся длины воли Х, удовлетворяющие условию (182.
1) . Формула Вульфа -- Брэггов используется при решении двух важных задач: 1. Наблюдая дифракцию рентгеновских лучей известной длины волны на 296 Г л а в я 23. Дкфракняя света хг лг лг 'г Ряс. 266 5, Рн!. 266 )2 = 1/г)гг, кристаллической структуре неизвестного строения и измеряя б и пг, можно найти межплоскостиое расстояние (г(), т. е. определить структуру вещества. Этот метод лежит в основе рентгеноструктурного анализа.
Формула Вульфа — Брэггов остается справедливой и при дифракции электронов и нейтронов. Методы исследования структуры вещества, основанные на дифракции электронов и нейтронов, называются соответственно электронографией и нейтронографней. 2. Наблюдая дифракцню рентгеновских лучей неизвестной длины волны на кристаллической структуре при известном г( н измеряя б и пг, можно найти длину волны падающего рентгеновского излучения. Этот метод лежит в основе рентгеновской спектроскопии. й 183. Разрешающая способность оптических приборов Используя даже идеальную оптическую систему (такую, для которой отсутствуют дефекты и аберрации), невозможно получить стигматическое иэображение точечного источника, что объясняется волновой природой света.
Изображение любой светящейся точки в монохроматическом свете представляет собой дифракционную картину, т. е. точечный источник отображается в виде центрального светлого пятна, окруженного чередующимися темными и светлыми кольцами. Согласно критерию Рэлея, изображения двух близлежащих одинаковых точечных источников или двух близлежащих спектральных линий с равными интенсивностями и одинаковыми симметричными контурами разрешимы (разделены для восприятия), если центральный максимум дифракционной картины от одного источника (линии) совпадает с первым минимумом дифрвкционной картины от другого (рис.
266, о). При выполнении критерия Рэлея интенсивность спровалаэ между максимумами составляет 80 % интенсивности в максимуме, что является достаточным для разрешения линий Х~ и йг. Если критерий Рэлея нарушен, то наблюдается одна линия (рис. 266, б). 1. Разрешающая способность объектива. Если на объектив падает свет от двух удаленных точечных источников Яг н 52 (например, звезд) с некоторым угловым расстоянием дф, то вследствие дифракции световых волн на краях дифрагмы, ограничивающей объектив, в ега фокальной плоскости вместо двух точек наблюдаются максимумы, окруженные чередующимися темными и светлыми кольцами (рис. 266), Можно доказать, что две близлежащие звезды, наблюдаемые в объективе в моно- хроматическом свете, разрешимы, если угловое расстояние между ними эг~ )1,22 Х/О, (! 83.1) где Х вЂ” длина волны света, 0 — диаметр объектива.
Разрешающей способностью (разрешающей силой) объектива называется ве- личина где г)ф — наименьшее угловое расстояние между двумя точками, при котором они еще оптическим прибором разрешаются. Согласно критерию Рэлея, изображе. ния двух одинаковых точек разрешимы, когда центральный максимум дифракционной картины для одной точки совпадает с первым минимумом дифракционной кар- 29ь 5.
Оптика. Квантовая природа нзлученнн тины для другой (рис. 266). Из рисунка следует, чта при выполнении критерия Рэлея угловое расстояние между тачками г)ф должно быть равна ф, т. е. с учетом (! 83.1) <) ф = ~р = 1,22Л/с). Следовательно, разрешающая способность объектива )7 = 1/бф = О/(1,22Л), (183.2) т. е. зависит от диаметра и длины волны света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
