9

Міністерство освіти і науки України

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

Кафедра фізики і хімії

Лабораторна робота № 6.2

Вивчення дифракційних спектрів

(Учбово-методичний посібник)

Переробив доц. Горюк А.А.

Затверджено на засіданні кафедри 17 лютого 2003 р., протокол № 5

Одеса - 2003

1 Теоретична частина

1.1 Вихідні положення хвильової оптики

1. Росповсюджувані у просторі змінні електричні і магнітні поля являють собою електромагнітні хвилі. На рис.1 схематично показана електромагнітна хвиля, що поширюється в позитивному напрямку осі абсцис; Е і H - відповідно вектори напруженості електричного і магнітного полів електромагнітної хвилі. Як видно з рис.1, електромагнітні хвилі відносяться до класу поперечних хвиль, оскільки в них напрямки коливань векторів E і H нормальні відносно вектора швидкості хвилі.

Рис. 1

2. Світловими хвилями є електромагнітні хвилі з довжинами хвиль, що лежать у межах 400…700  нм. Кольорова характеристика світлової хвилі визначається довжиною хвилі (400 нм - фіолетовий колір, 700 нм - червоний колір). У тому випадку, коли світлові хвилі мають одну довжину хвилі, світло називається монохроматичним, якщо ж у світловому пучку знаходяться всі довжини хвиль у межах від 400 до 700 нм (усі «кольори»), світло є білим.

3. Взаємодія світлової електромагнітної хвилі з речовиною в переважній більшості випадків визначається дією електричного поля хвилі, що характеризується вектором напруженості електричного поля Е. Надалі будемо називати Е електричним (або світловим) вектором і при розгляді світлових явищ будемо абстрагуватися від дії магнітного поля світлової хвилі.

Важливою характеристикою світлової хвилі є її енергія (інтенсивність світла), пропорційна |E|².

4. Поширення світла в просторі будемо описувати за допомогою понять «фронт світлової хвилі» і «світловий промінь».

Фронтом світлової хвилі називається геометричне місце точок простору, до яких у даний момент часу досягла світлова хвиля.

Світловими променями називаються прямі лінії, що виходять із джерела світла і визначають напрямок переносу енергії світлової хвилі. Промені завжди перпендикулярні до фронту хвилі.

5. У вакуумі світлові хвилі поширюються зі швидкістю c = 3 · 10⁸ м/с, а в речовині зі швидкістю v = c/n, де n > 1 - показник заломлення, значення якого визначається конкретними властивостями речовини. При проходженні світлової хвилі в речовині її довжина зменшується: , де ₀ - довжина світлової хвилі у вакуумі.

6. Світлові хвилі випромінюються окремими атомами джерела світла незалежно одна від одної, тому початкові фази їхніх коливань не зв'язані між собою і випадково залежать від часу. Такі хвилі називаються некогерентними і при накладенні в одній точці простору їхні інтенсивності просто підсумовуються.

За допомогою певних заходів (див. нижче) можна виділити групи монохроматичних світлових хвиль, у яких різниця початкових і кінцевих фаз залишається постійною в часі. Такі хвилі називаються когерентними.

1.2 Дифракція світла

1.2.1 Поняття про дифракцію

Дифракцією світла називається явище огинання світловими хвилями перешкод (як правило, з розмірами, порівняними з довжиною світлової хвилі) і наступною інтерференцією світлових хвиль.

Математично точне рішення задачі дифракції викликає виняткові труднощі. Тому застосовуються наближені методи рішення, в основі яких лежить принцип Гюйгенса–Френеля:

Кожна точка фронту хвилі є джерелом вторинних сферичних хвиль, а поверхня, що огинає поверхні вторинних сферичних хвиль, визначає положення фронту хвилі в наступний момент часу. Всі вторинні хвилі когерентні між собою, їхні початкові фази рівні початковій фазі вихідної хвилі, електричний вектор Е максимальний у напрямку, нормальному до фронту первинної хвилі, і досягає нуля в напрямку, дотичному до фронту первинної хвилі.