Билет № 11 Дифракционная решетка как спектральный прибор. Угловая и линейная дисперсия. Разрешающая способность.

Как видно из положение узких главных максимумов зависит от длины волны  . Это позволяет использовать решетку в качестве спектрального прибора. Решетка способна разлагать свет в спектр. Для этого могут быть использованы дифракционные максимумы различных порядков (кроме m = 0). Практически, однако, используются главные максимумы, расположенные в пределах основного лепестка диаграммы излучения одиночной щели, имеющего полуширину  . Отсюда можно получить оценку: 

(3.5)

Обычно спектрографы с дифракционной решеткой работают при m = 1 или 2, очень редко при m = 3. Качество решетки как спектрального прибора может быть охарактеризовано рядом параметров. К ним относятся угловая дисперсия, дисперсионная область и разрешающая способность.

3. 7. Дисперсия и разрешающая сила спектрального прибора. @

О сновными характеристиками любого спектрального прибора, в том числе и дифракционной решетки, являются его дисперсия и разрешающая сила. От их величин зависит способ­ность прибора пространственно разделить лучи разных длин волн. Линейная дисперсия D определя­ется как отношение , где dl - расстоя­ние между спектральными линиями, а dλ – разность длин волн этих линий. Определение справедливо также для разности частот линий dν. Угловая диспер­сия , где dφ – разность углов между лучами, отличающимися на dλ или dν со­ответственно. На рис. 3.9 показаны два луча, идущие под углами φ и φ + dφ, и имеющие длины волн λ и λ + dλ, соответственно.

Для определения угловой дисперсии дифракционной ре­шетки продифференцируем условие главного максимума dsinφ = mλ. Мы получим

dcosφ dφ = mdλ,

откуда следует . При малых углах cosφ≈1 и Q ≈ ≈m/d, т.е. чем выше порядок спектра и меньше период решетки, тем больше угловая дисперсия. Она не зависит от числа щелей в решетке и характеризует степень растянутости спектра в об­ласти данной длины волны.

Разрешающая сила спектрального прибора R показывает, какие близкие спектральные линии λ₁ и λ₂ с разностью длин dλ = λ₂ - λ₁ можно визуально разделить в спектре. , где λ – средняя длина волны разрещаемых линий λ₁ и λ₂. На рис. 3.10 пунктиром представлены две близкие спектральные линии, а сплошной кривой показаны наблюдаемые результирующие ин­тенсивности. В случае а) обе линии воспринимаются как одна, в случае б) линии воспринимаются раздельно. Это происходит потому, что возможность визуального разделения линий зависит также от их ширины.

Согласно критерию, предложенному анг­лийским физиком Д.Рэлеем, спектральные линии считаются разрешенными, если максимум одной из них совпадает с мини­мумом другой (рис. 3.10 б).

Р азрешающая сила дифракционной решетки R пропор­циональна числу щелей N и порядку спектра m, т.е. R = Nm. Приравняв друг другу два выражения для разрешающей силы, мы получим условие разрешимости линий . Если , то спектральные ли­нии разрешаются, если , линии не разрешаются.

Вопрос №12

Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке кристаллов. Формула Вульфа- Брэггов. Изучение структуры кристаллов.

Пространственной, или трехмерной, дифракционной решеткой называется такая оптически неоднородная среда, в которой неоднородности периодически повторяются при изменении всех трех пространственных координат. Всякий монокристалл состоит из упорядоченно расположенных атомов (ионов), образующих пространственную трехмерную решетку (естественная пространственная решетка). Для рентгеновских лучей кристаллы твердых тел являются идеальными дифракционными решетками. русский физик Г.В. Вульф и английские ученые отец и сын Генри и Лоренс Брэгги, независимо друг от друга, предложили простой метод расчета дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. Они полагали, что дифракцию рентгеновских лучей можно рассматривать как результат отражения рентгеновских лучей от плоскостей кристалла. Это отражение, в отличие от обычного, происходит лишь при таких условиях падения лучей на кристалл, которые соответствуют максимуму интерференции для лучей, отраженных от разных плоскостей.

П оскольку рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью, отраженная их часть составляет ничтожную долю лучей, прошедших в кристалл. Однако при условии ин­терференционного максимума лучей, отраженных от разных плоскостей кристалла, можно добиться их значительного усиле­ния.

Разобьем кри­сталл на ряд парал­лельных плоскостей, про­ходящих через узлы кристаллической решетки и отстоящих друг от друга на рас­стояние d (рис. 3.8). Пусть на кристалл па­дает плоская монохроматическая волна рентгеновского излуче­ния под углом скольжения θ (угол между направлением падаю­щего луча и кристаллографической плоскостью). Рассмотрим лучи 1’ и 2’, отразившиеся от атомов А и В двух параллельных плоскостей I и II соответственно. Абсолютный показатель пре­ломления любых сред для рентгеновских лучей близок к еди­нице, поэтому отраженные лучи 1’ и 2’ по закону отражения выйдут из кристалла под тем же углом θ к плоскостям I и II. Лучи 1’ и 2’ когерентны и будут интерферировать между собой, подобно лучам, идущим от соседних щелей дифракционной ре­шетки. Для определения разности хода лучей 1’ и 2’ из точки А опустим перпендикуляры на лучи 2 и 2’ (на рис. 3.8 это пунктир­ные линии). Искомая разность хода Δ = 2 dsinθ. Лучи будут уси­ливать друг друга при 2 dsinθ = = mλ, где m = 1,2…. – порядок дифракционного максимума. Данное соотношение называется формулой Вульфа-Брэгга. Если известна длина волны рентгеновских лучей, то по виду дифракционной картины можно определить структуру кристалла. На этом основан метод изучения структуры веще­ства, получивший название рентгеноструктурного анализа.

Интерференционные максимумы должны удовлетворять условию Вульфа–Брэггов:

, (m = 1, 2, 3, ... .).(9.5.1)

Из формулы (9.5.1) видно, что дифракция будет наблюдаться лишь при . Т. е. при условии будут отсутствовать дифракционные максимумы. Поэтому условие называют условием оптической однородности кристалла.

Из (9.5.1) следует, что наблюдение дифракционных максимумов возможно только при определенных соотношениях между λ и θ. Этот результат лежит в основе спектрального анализа рентгеновского излучения, так как длину волны определяют по известным d, m и измеренному на опыте углу.