Лабораторные работы. Оптика / Физика. Опт. ЛР. Определение размеров частиц дифракционным методом

Цель работы: Измерение размеров частиц ликоподия дифракционным методом.

Приборы и принадлежности: Оптическая скамья, газовый лазер, стеклянные пластинки с зажатым между ними тонким слоем порошка ликоподия, микроскоп на поперечных салазках с микрометрическим винтом, экран.

ХОД РАБОТЫ:

1. Установим ползушку-держатель образца на оптическую скамью и, в отсутствие образца проверим горизонтальность лазерного пучка.

2. Поместим в лазерный пучок образец.

3. Закрепим ползушку на расстоянии 1,8 м от экрана.

4. Измерим радиусы тёмных и светлых колец на экране. Полученные данные сведём в таблицу.

Номер кольца	Rвнутр, мм	Rвнеш, мм	<R>, мм	sinφ	r, м	<r>, м
0 (светлое)	–––	45	–––	–––	–––	13,63*10-6
1 (тёмное)	45	55	50	0,028	13,7*10-6
2 (светлое)	55	80	67,5	0,038	13,4*10-6
3 (тёмное)	80	95	92,5	0,051	13,8*10-6
4 (светлое)	95	120	107,5	0,06	14*10-6
5 (тёмное)	120	150	135	0,075	13,6*10-6
6 (светлое)	150	160	155	0,088	13,3*10-6

;

;

;

;

;

.

5. Рассчитаем радиусы частиц.

;

;

;

;

;

.

6. Определим погрешность измерения.

;

.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем состоит явление дифракции? Сформулируйте принцип Гюйгенса—Френеля. Что такое зоны Френеля?

Под дифракцией света понимают всякое уклонение от прямолинейного распространения света, если оно не может быть истолковано как результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления. Если в среде имеются мельчайшие частицы постороннего вещества (туман) или показатель преломления заметно меняется на расстояниях порядка длины волны, то в этих случаях говорят о рассеянии света и термин «дифракция» не употребляется.

Принцип Гюйгенса-Френеля: Согласно этому принципу каждый элементарный участок волнового фронта (поверхности, на которой фаза волны во всех ее точках одинакова) является источником вторичных волн, и волновое возмущение в каждый последующий момент времени является результатом интерференции всех вторичных волн, пришедших в заданную точку пространства.

Зоны Френеля – кольцевые зоны на поверхности сферической волны, заключённые между окружностями, расстояния до которых отточки P, в которой определяется амплитуда светового колебания, равны

2. Почему в центре дифракционной картины от непрозрачной частицы наблюдается светлое пятно?

Существование пятна Араго — Пуассона легко объяснить на основании принципа Гюйгенса — Френеля. Предположим, что на круглый непрозрачный диск падает плоская волна, параллельная оси диска. Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, точки на краю диска можно рассматривать как источники вторичных волн, причём все они будут когерентны. Все эти волны пройдут одинаковое расстояние от края диска до любой точки на его оси. В результате они придут в эту точку в одинаковой фазе и усилятся, создавая яркое пятнышко. Стоит отметить, что на достаточно больших расстояниях от диска наблюдать пятно становится невозможно, в силу пространственной декогерентности приходящих волн.

3. В чем состоит различие между дифракцией Френеля и дифракцией Фраунгофера? Какую дифракцию наблюдаете вы в вашем опыте?

Различают два вида дифракции. Если источник света S и точка наблюдения Р расположены от препятствия настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку Р, образуют практически параллельные пучки, говорят о дифракции в параллельных лучах или о дифракции Фраунгофера. В противном случае говорят о дифракции Френеля.

Дифракция Френеля — дифракционная картина, которая наблюдается на небольшом расстоянии от препятствия, по условиям, когда основной вклад в интерференционную картину дают границы экрана.

Дифракция Фраунгофера — случай дифракции, при которой дифракционная картина наблюдается на значительном расстоянии от отверстия или преграды.

4. Каковы минимальные размеры частиц, которые можно наблюдать с помощью оптических приборов? Можно ли в микроскоп увидеть отдельные атомы.

Пятно Аббе.

Дифракционный предел — это минимальное значение размера пятна (пятно рассеяния), которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение. Меньший размер пятна не позволяет получить явление дифракции электромагнитных волн.

Минимальный дифракционный предел определяется формулой , где λ — длина волны, n — показатель преломления среды.

.

5. В лунную ночь, когда на небе имеется легкая облачность (дымка) и луна просвечивает сквозь облака, можно наблюдать вокруг луны радужные кольца. Чем это объясняется? В каком порядке расположены цвета этих колец по мере удаления от лунного диска? Что происходит с этими кольцами, когда облака становятся более плотными.

Существует множество типов гало и вызваны они преимущественно ледяными кристаллами в перистых облаках на высоте 5—10 км в верхних слоях тропосферы. Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу. В тусклом лунном гало цветов глазом не видно, что связано с особенностями сумеречного зрения.

Цвета располагаются от источника света в порядке цветов спектра.

При большей плотности облаков большее количество лучей преломляются и гало становится белым от периферии к центру.