Дифракция света Авторы: А.А. Кягова, А.Я. Потапенко © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава I. Определение дифракции. Принцип Гюйгенса-Френеля Дифракция света – это отклонение света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями Дифракция света – это огибание световыми волнами препятствий, расположенных на пути распространения волны gif-анимация © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 1 экран препятствие Источник света Дифракционная картина - система темных (min) и светлых (max) участков на экране: а) кольца круглые препятствия (диск, шарик, отверстие) б) полосы линейные препятствия (щель, нить) © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава Дифракцию можно наблюдать только если размеры препятствия соизмеримы с длиной волны падающего света © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 2 Принцип Гюйгенса-Френеля позволяет объяснить и рассчитать дифракционную картину Источник вторичных волн Гюйгенс: S 2. Внешняя огибающая вторичных волн образует фронт волны (волновую поверхность) в следующий момент времени t 1. Каждая точка волновой поверхности, которой достигла в данный момент времени волна, является источником (центром) вторичных волн Френель: 3. Вторичные волны являются когерентными и при их сложении наблюдается интерференция Фронт волны для расчета дифракционной картины нужно рассчитать интерференцию вторичных волн © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава Виды дифракции сферических волн (дифракция Френеля) плоско-параллельных волн (дифракция Фраунгофера) © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 3 II. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр Дифракционная решетка – это оптическое устройство, представляющее собой совокупность большого числа параллельных щелей. Щели в решетке расположены на одинаковом расстоянии друг от друга Виды дифракционных решеток отражательные (дифракция в отраженном свете) прозрачные (дифракция в проходящем свете) © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава Прозрачная дифракционная решетка а – щель а (пропускает свет) b – промежуток b между щелями (не пропускает свет) Основная характеристика дифракционной решетки - постоянная (период) решетки: C=a+b Оптические свойства дифракционной решетки зависят от С © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 4 Условия для главных максимумов дифракционной картины на решетке АВ – щель А В А’ AB’ - перпендикуляр ко вторичным волнам. Это фронт вторичных волн В’ 1 2 В’’ линза Оптическая разность хода: экран О’ k =-1 О k=0 1, 2 | A' B'| C sin Условие образования MAX: k =1 C sin k k – порядок главных MAX k = 0, 1, 2… Основная формула дифракционной решетки © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава Особенности дифракционного спектра 1. Между главными MAX образуются добавочные MIN. Число этих минимумов равно N-1. Число добавочных MAX равно N-2. N- число щелей на решетке. 2. Интенсивность главных MAX уменьшается с увеличением порядкового номера (k) главного MAX. 3. Чем больше щелей N на решетке, тем больше интенсивность главных MAX и уже ширина спектральных линий © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 5 Особенности дифракционного спектра I N=5 k =-1 k=0 k =1 sin I N=10 k =-1 k =1 k=0 sin © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава Особенности дифракционного спектра 4. Если решетку освещать монохроматическим светом, то MAX бут окрашены в одинаковый цвет 5. Если решетку освещать белым светом, то все главные MAX (кроме k=0) разложатся в цветной спектр (от фиолетового до красного цвета). Только центральный MAX будет белым Картина на экране © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 6 Картина на экране Разрешающая способность (разрешающая сила) дифракционной решетки – величина, характеризующая способность решетки давать раздельное изображение двух близких спектральных линий ( и ): R – минимальная разность длин волн двух монохроматических линий равной интенсивности, которые еще можно различить в спектре R kN k – порядок MAX N– число щелей решетки © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава IV. Физические основы рентгеноструктурного анализа C sin k Как можно использовать дифракционную решетку? Зная постоянную дифракционной решетки С можно найти длину волны падающего света (прямая задача) Зная длину волны падающего света можно найти постоянную решетки С (обратная задача) © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 7 Расстояние между атомами в кристалле приблизительно равно длине рентгеновского излучения (10-10 м). Поэтому, кристаллы для рентгеновских лучей являются трехмерной решеткой рентгеноструктурный анализ – это измерение параметров кристаллической решетки при помощи дифракции рентгеновских лучей © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава Фотопластинка: θ -угол скольжения интерференция отраженных лучей θ θ θ d d sin θ MAX интерференции: 2 d sin θ = k λ (Условие БреггаВульфа) © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 8 Рентгенограммы вода белок берилл ДНК © ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 9