Вказівки до виконання роботи. Для виконання роботи слід вивчити такий матеріал: дифракція хвиль; дифракція в паралельних променях; дифракційна решітка та її характеристики

Для виконання роботи слід вивчити такий матеріал: дифракція хвиль; дифракція в паралельних променях; дифракційна решітка та її характеристики.

[1, т.3 §§ 4.1–4.5; 2, §§ 176–181; 3, §§ 12.4–12.6; 4, т.2 §§ 125–130]

Дифракцією називають явища, пов’язані з огинанням хвилями перешкод, які зустрічаються на їх шляху, або, в більш широкому розумінні – явища, пов’язані з будь-яким відхиленням при розповсюдженні світла від законів геометричної оптики. Якщо ширина перешкоди (наприклад, щілина) буде b, відстань від неї до точки спостереження – l, а довжина хвилі – l, то параметр визначає число зон Френеля m, які відкриває дана перешкода. Отже, дифракцію можна спостерігати лише тоді, коли m<<1 (дифракція Фраунгофера) або при m ~ 1 (дифракція Френеля). Якщо m>>1, то реалізуються закони геометричної оптики.

Найбільше практичне значення має дифракція, яку спостерігають в паралельних променях (дифракція Фраунгофера) при проходженні світла через одномірну дифракційну решітку (рис. 5.2.1).

Дифракційна решітка – це система паралельних щілин рівної ширини, які лежать в одній площині і розділені рівними по ширині непрозорими проміжками. Якщо а – ширина непрозорої частини, а b – ширина прозорої щілини, то сума d= b + a має назву сталої (періоду) дифракційної решітки.

Нехай кількість прозорих щілин решітки на одиниці довжини l буде N(число штрихів), то стала дифракційної решітки знаходиться за співвідношенням:

. (5.2.1)

На дифракційну решітку падає плоска світлова хвиля (рис. 5.2.1). Згідно принципу Гюйгенса – Френеля кожна точка цього фронту є джерелом вторинних сферичних когерентних хвиль. Внаслідок цього усі точки кожної щілини випромінюють сферичні хвилі. Візьмемо, наприклад, точки, що лежать біля країв усіх щілин і розглянемо промені, які випромінюються під кутом j до напряму поширення плоскої хвилі. Лінза Л буде збирати усі ці промені у відповідній точці О фокальної площини. Освітленість у цій точці буде результатом інтерференції усіх променів. З рисунку 5.2.1 видно, що між променями 1 та 2 виникає різниця ходу

.

Якщо на цій різниці ходу вкладається ціле число довжин хвиль, то виникає інтерференційний максимум. Таким чином, умовою головних дифракційних максимумів є:

, (5.2.2)

де d − стала решітки; j − кут дифракції; m − порядок дифракційного максимуму; l − довжина світлової хвилі.

Якщо кути дифракції малі (рис. 5.2.2), то sinj » tgj, тобто:

. (5.2.3)

З виразів (5.2.2) та (5.2.3) випливає, що

, (5.2.4)

де – довжина хвилі джерела світла; L – відстань від решітки до екрана; l_m – відстань від центрального максимуму до дифракційного максимуму m-го порядку; d – стала дифракційної решітки.

В даній лабораторній роботі джерелом світла є ОКГ (лазер).

Схему лабораторної установки зображено на рисунку 5.2.2. Випромінювання лазера (ОКГ) проходить крізь дифракційну решітку ДР і створює на екрані Е картину дифракції.

Хід роботи

1. Згідно з інструкцією ввімкнути лазер та отримати у лаборанта набір дифракційних решіток.

2. Визначити кількість штрихів N на одиницю довжини для кожної дифракційної решітки та розрахувати сталу d дифракційної решітки за формулою (5.2.1).

3. Встановити на шляху лазерного променя дифракційну решітку з відомою кількістю штрихів N.

4. Спостерігаючи на екрані картину дифракції, виміряти відстані l_1, l_2, l₃ від центрального максимуму (m=0) до максимумів першого, другого та третього порядків (m=1, 2, 3).

5. Виконати операції пунктів 2 − 3 для кожної дифракційної решітки.

6. Визначити відстань від решітки до екрана L.

7. Обчислити довжину світлової хвилі за формулою (5.2.4) для кожного вимірювання l_m.

8. Обчислити середнє значення довжини хвиліl_сер.

9. Дані занести до таблиці 5.1.1.

Таблиця 5.1.1

Тип решітки	Відстань до максимумів	L, м	, м	сер, м
N	d, м	l1, м	l2, м	l3, м

Контрольні запитання

1. Що таке дифракція?

2. Сформулюйте принцип Гюйгенса-Френеля.

3. Що таке когерентність? Почасова та просторова когерентності?

4. Які хвилі називають монохроматичними?

5. Чим відрізняється дифракція Фраунгофера від дифракції Френеля.

6. Що таке дифракційна решітка?

7. Дайте характеристики дифракційної решітки.

8. Що таке геометрична і оптична різниця ходу променів? Побудуйте хід променів при дифракції Фраунгофера і покажіть різницю ходу променів.

9. Запишіть умови дифракційних максимумів та мінімумів.

10. Поясніть виникнення дифракційного спектру в білому світлі.