پراش نورشامل انحراف پرتوهای نور از مسیر مستقیم در هنگام عبور از سوراخ های کوچک یا عبور از یک صفحه کوچک مات است.

پراش معمولاً در صورتی مشاهده می شود که ابعاد سوراخ یا مانع با طول موج یکسان باشد.

هنگام محاسبه پدیده های پراش، آنها از تکنیک خاصی استفاده می کنند که توسط فرنل پیشنهاد شده است، به نام اصل هویگنز-فرنل که توسعه ای از اصل هویگنس است.

اصل هویگنسبه صورت زیر فرموله شده است: هر نقطه از سطح موج امواج نور منبع امواج ثانویه است. سطح پوششی امواج ثانویه موقعیت جدید سطح موج خواهد بود.

اصل هویگنس مشکل انتشار جبهه موج را حل می کند، اما مشکل شدت امواجی که در جهات مختلف از منبع حرکت می کنند را حل نمی کند.

اصل هویگنز-فرنل شدت موج حاصل را در نتیجه تداخل امواج ثانویه در نظر می گیرد که چون از یک جبهه موج منشا می گیرند منسجم هستند.

α 1

α 2

آر

برنج. 3.5.2.

تداخل امواج ثانویه، به گفته فرنل، به صورت زیر رخ می دهد: از یک نقطه اجازه دهید اس یک موج کروی شعاع منتشر می شود آر . اجازه دهید مناطق ابتدایی را روی این سطح انتخاب کنیم د اس هم اندازه. همه آنها منابع منسجمی هستند و عادی برای هر یک از آنها زوایای مختلفی را تشکیل می دهد آبا پرتویی که به نقطه ای می رود ب جلوتر از جبهه موج

برنج. 3.5.3.

برای ساده کردن محاسبه شدت نور در یک نقطه بفرنل روشی به نام روش منطقه فرنل پیشنهاد کرد.

اجازه دهید کل جبهه موج را به مناطقی تقسیم کنیم، فاصله آن تا نقطه ب با . بیایید آنها را از نقطه نظر توصیف کنیم ب ، از مرکز، دایره هایی با شعاع

.

برنج. 3.5.4.

نواحی مناطق را می توان یکسان در نظر گرفت و دامنه های موج نوری که به نقطه می رسد. ب از هر منطقه بعدی، به تدریج کاهش می یابد. واضح است که امواج از دو ناحیه مجاور به نقطه می رسد ب در آنتی فاز

روش منطقه فرنل به ما امکان می دهد موارد مختلف پراش را توضیح دهیم. بیایید به برخی از آنها نگاه کنیم، یعنی:

پراش فرنلیا پراش در پرتوهای همگرا، هنگامی که یک جبهه موج کروی روی یک سوراخ یا مانع می افتد، و

پراش فراونهوفر، یا پراش در پرتوهای موازی - یک جبهه موج صاف روی سوراخ می افتد.

نمونه ای از پراش نوع اول (پراش فرنل) می تواند پراش توسط یک سوراخ گرد باشد.

اگر تعداد زوجی از مناطق فرنل در یک سوراخ قرار گیرد، امواجی که به نقطه می رسند ب از مناطق همسایه لغو یکدیگر، و در نقطه ب حداقل روشنایی وجود خواهد داشت. اگر تعداد فرد ناحیه در سوراخ قرار گیرد، یکی از مناطق در نقطه جبران نشده باقی می‌ماند. ب حداکثر شدت نور مشاهده می شود. هنگام حرکت روی صفحه در جهات مختلف از یک نقطه ب سوراخ تعداد زوج یا فرد از مناطق فرنل را برش می دهد. به لطف این، در صفحه نمایش الگوی پراش از سوراخ گرد را به شکل حلقه های روشن و تیره خواهیم دید.

نمونه ای از پراش نوع دوم (پراش فراونهوفر) پراش پرتوهای موازی در یک شکاف است. شکاف یک سوراخ بلند و باریک در یک صفحه مات با لبه های کاملاً موازی است که عرض آن به طور قابل توجهی کمتر از طول است.

برنج. 3.5.5.

نور در یک پرتو موازی عمود بر شکاف فرو می‌رود، به طوری که تمام نقاط شکاف در یک فاز نوسان می‌کنند. پرتوهای پراش در زاویه j توسط عدسی در نقطه جمع آوری می شود بصفحه نمایش و تداخل.

وقتی جی = 0 همه امواج به نقطه می رسند در باره در همان مرحله هستند و یکدیگر را تقویت می کنند. یک نوار روشن روی صفحه ظاهر می شود - حداکثر مرکزی.

برای تعیین نتیجه تداخل در یک نقطه ب برای j ¹ 0، بخش باز سطح موج (عرض شکاف) را به تعدادی ناحیه فرنل تقسیم می کنیم. در این مورد، آنها نوارهای باریک موازی با لبه های شکاف هستند. بیایید از طریق نقطه ترسیم کنیم آ سطح آگهی ، عمود بر پرتو پرتوهای پراش. مسیرهای نوری پرتوها از آگهی به نقطه ب یکسان هستند، بنابراین تفاوت سکته مغزی سی دی پرتوهای شدید برابر است با:

دی = aگناه ج. (3.5.1)

مناطق فرنل تقسیم می شوند دیبرای تعداد قطعه مربوطه هر نقطه در ناحیه فرد فرنل مربوط به نقطه ای در ناحیه زوج است که نوسانات آن به نقطه می رسد. ب در آنتی فاز بنابراین، در نقطه ب ، که برای آن تعداد زوج فرنل در عرض شکاف قرار می گیرد، امواج یکدیگر را خنثی می کنند و در این مکان یک نوار تیره روی صفحه نمایش وجود خواهد داشت.

که.، حداقل شرطبرای یک اسلات خواهد بود:

, , (3.5.2)

در جهاتی که تعداد فرد ناحیه در عرض شکاف قرار می گیرد، بیشترین شدت نور مشاهده خواهد شد. آن ها، حداکثر پراشدر جهت های تعیین شده توسط شرایط مشاهده می شوند:

, ,… (3.5.3)

ک- ترتیب حداکثر پراش.

توزیع شدت نور در حین پراش توسط یک شکاف در شکل 1 نشان داده شده است. 3.5.5.

بنابراین، هنگامی که شکاف با نور تک رنگ روشن می شود، الگوی پراش یک سیستم حداکثر، متقارن نسبت به وسط حداکثر مرکزی با کاهش سریع شدت است.

اگر شکاف با نور سفید روشن شود، حداکثر مرکزی برای تمام طول موج ها مشترک خواهد بود، بنابراین مرکز الگوی پراش یک نوار سفید است.

ماکزیمم ترتیبات دیگر برای طول موج های مختلف دیگر منطبق نیست. به همین دلیل، ماکزیمم ها به قدری مبهم هستند که جداسازی واضح طول موج ها (تجزیه طیفی) را نمی توان با استفاده از یک شکاف به دست آورد.

اجازه دهید پراش پیچیده تری را از دو شکاف در نظر بگیریم. در نقطه در بارههنوز یک نوار روشن وجود خواهد داشت (پرتوهای همه شکاف ها در همان فاز می رسند).

در نقطه ب الگوی پراش از یک شکاف با تداخل پرتوهایی که از نقاط متناظر دو شکاف می آیند روی هم قرار می گیرد. مینیمم ها در همان مکان ها خواهند بود، زیرا آن جهت هایی که هیچ شکافی در آنها نور نمی فرستد، حتی با دو شکاف نیز آن را دریافت نمی کنند.

برنج. 3.5.6.

علاوه بر این حداقل ها، مینیمم های اضافی در جهت هایی ظاهر می شوند که در آن نور ارسال شده توسط هر یک از شکاف ها یکدیگر را خنثی می کند. از شکل 3-5-6 واضح است که تفاوت در مسیر پرتوهای D که از نقاط مربوط به شکاف ها می آیند برابر است با

. (3.5.4)

بنابراین حداقل های اضافی با شرایط زیر تعیین می شوند:

; (3.5.5)

برعکس، در جهت هایی که

, (3.5.6)

حداکثر مشاهده می شود.

از شکل 3.5.6 واضح است که بین دو حداکثر اصلی یک حداقل اضافی وجود دارد.

بنابراین، بررسی پراش دو شکاف نشان می دهد که در این حالت ماکزیمم ها باریک تر و شدیدتر می شوند.

افزایش تعداد شکاف ها این پدیده را بارزتر می کند. شدت ماکزیمم اصلی افزایش می یابد و شدت ماکسیما ثانویه کاهش می یابد.

K= -2

K= -1

K=0

K = 1

سیستمی از تعداد زیادی شکاف موازی نامیده می شود توری پراش.

برنج. 3.5.7.

ساده ترین توری پراش یک صفحه شیشه ای است که خطوط موازی، غیرشفاف نسبت به نور، با استفاده از دستگاه تقسیم بر روی آن اعمال می شود.

الگوی پراش نور تک رنگی که از یک توری پراش می گذرد در صفحه کانونی عدسی مشاهده می شود و مجموعه ای از نوارهای باریک نور با شدت کاهشی است که در دو طرف حداکثر مرکزی قرار دارند. ک= 0 و با فضاهای تاریک گسترده از هم جدا شده است.

اگر توری با نور سفید روشن شود، پرتوهایی با طول موج های مختلف در مکان های مختلف صفحه جمع می شوند. بنابراین، حداکثر مرکزی مانند یک نوار سفید به نظر می رسد و بقیه نوارهای رنگی هستند که ماکزیمم پراش نامیده می شوند.

برنج. 3.5.8.

در هر طیف، رنگ از بنفش تا قرمز متفاوت است. با افزایش ترتیب طیف، طیف دوم گسترده تر می شود، اما شدت آن کاهش می یابد.

رابطه تعیین کننده موقعیت های ماکزیمم اصلی

, (3.5.7)

جایی که د -ثابت شبکه، - ترتیب حداکثر (طیف)، نامیده می شود فرمول توری پراش.

این فرمول به شما امکان می دهد طول موج نور را از یک دوره توری شناخته شده تعیین کنید د ، ترتیب طیف و زاویه آزمایشی j. در نتیجه، با استفاده از گریتینگ پراش، می توان نور را به اجزای تشکیل دهنده آن تجزیه کرد و ترکیب تابش مورد مطالعه را تعیین کرد (تعیین طول موج و شدت تمام اجزای آن). ابزارهایی که برای این کار استفاده می شوند، طیف نگارهای پراش نامیده می شوند.

توضیحات تجهیزات

دستگاه ها و لوازم جانبی: روشن کننده، توری پراش، صفحه نمایش با مقیاس میلیمتری، خط کش اندازه گیری.

برنج. 3.5.9.

برای تعیین طول موج نور با استفاده از یک توری پراش، یک توری بر روی یک نوار مخصوص نصب می شود. پ و یک شکاف؛ سکته های توری و شکاف به صورت موازی قرار دارند. شکاف توسط یک منبع روشن می شود اس . یک خط کش میلی متری عمود بر محور ریل ثابت می شود AB با یک اشاره گر متحرک شکاف از طریق مشبک با چشم مشاهده می شود. تصویری از ماکزیمم اصلی بر روی خط کش نمایش داده می شود. در شکل 8 L - فاصله از توری پراش تا صفحه نمایش، ایکس – فاصله بین مراکز باندهای هم رنگ برای طیف های مرتبه اول و دوم.

رویه عملیاتی

1. روشنگر را به برق وصل کنید.

2. صفحه نمایش را در فاصله مشخصی تنظیم کنید L از توری پراش

3. فاصله را اندازه گیری کنید ایکسبین نوارهای یک رنگ مشخص در طیف مرتبه اول ایکس 1 و مرتبه دوم ایکس 2 . اندازه گیری ها و محاسبات مشابهی را برای رنگ مشخص دیگری انجام دهید.

پردازش نتایج

برای تعیین طول موج l با استفاده از فرمول (3.5.7)

باید در نظر گرفت که از آنجایی که L >> x، آن و سپس

و , (3.5.8)

جایی که کترتیب طیف و ثابت شبکه است d = 0.01 میلی متر . میانگین طول موج هر رنگ را از دو مقدار بدست آمده از طیف های مرتبه اول و دوم محاسبه کنید. نتایج به دست آمده را با مقادیر جدول مقایسه کنید.

کنترل سوالات

1. پراش نور چیست؟

2. روش هویگنز-فرنل چیست و مناطق فرنل کدامند؟

3. پراش چگونه در پرتوهای همگرا رخ می دهد؟

4. پراش چگونه در پرتوهای موازی (در یک شکاف) رخ می دهد؟

5. چرا حداکثر صفر بیشترین روشنایی را دارد؟ چرا سفید است (وقتی با نور سفید روشن می شود)؟

6. پراش چگونه در پرتوهای موازی در دو شکاف رخ می دهد؟

7. گریت پراش و ثابت گریت پراش چیست؟

8. علت پراکندگی (طیف) نور هنگام استفاده از توری پراش چیست؟

9. فرمول کار را استخراج کنید.

ادبیات

1. ساولیف I.V.درس فیزیک عمومی. T.2.Text. راهنما برای دانشجویان دانشگاه - م.: KNORUS، 2009، 576 ص.

2. Trofimova T.I.دوره فیزیک. کتاب درسی کمک هزینه برای دانشگاه ها - ویرایش پانزدهم، کلیشه. - م.: مرکز انتشارات فرهنگستان، 1386. - 560 ص.

3. Detlaf A.A.، Yavorsky B.M.دوره فیزیک. کتاب درسی برای کالج ها. - م: بالاتر. Shk., 1989. – 608 p.

کار آزمایشگاهی№ 3.6

مطالعه قطبش نور

هدف کار:تایید تجربی قانون مالوس

مفاد نظری

قطبش نور

همانطور که می دانید نور امواج الکترومغناطیسی است. بردارهای قدرت میدان الکتریکی و مغناطیسی ( و ) در هر لحظه از زمان بر یکدیگر عمود هستند و در صفحه ای عمود بر جهت انتشار موج قرار دارند (شکل 3.6.1).

برنج. 3.6.1.

منابع نور معمولی مجموعه ای از تعداد زیادی از منابع اولیه (اتم ها و مولکول ها) هستند که در مدت زمان حدود 10 -7 - 10 -8 ثانیه به سرعت روشن می شوند که هر یک از آنها امواجی با جهت گیری خاصی از بردارها و . اما منابع ابتدایی کاملاً مستقل از یکدیگر با فازهای مختلف و با جهت گیری های متفاوت بردارها و.

یک موج نور با جهت گیری متفاوت، و بنابراین، نامیده می شود نور طبیعی.

بردارهای و در هر نقطه از موج از نظر قدر با یکدیگر متناسب هستند، بنابراین وضعیت موج نور را می توان با مقدار یکی از این بردارها، یعنی .

مورد دوم مناسب است، زیرا این بردار است که تأثیرات فوتوالکتریک، عکاسی، بصری و غیره نور را تعیین می کند.

برنج. 3.6.2.

در یک پرتو طبیعی، نوسانات برداری به طور تصادفی جهت را تغییر می دهند و در صفحه ای عمود بر پرتو باقی می مانند (شکل 3.6.2). آ).

اگر هر جهتی از نوسان غالب باشد، نور به طور جزئی قطبی شده نامیده می شود (شکل 3.6.2). ب).

اگر نوسانات برداری فقط در یک جهت خاص در فضا اتفاق بیفتد، آنگاه نور پلاریزه صفحه نامیده می شود (شکل 3.6.2). V).

اگر در یک پرتو پلاریزه صفحه، بردار به گونه‌ای نوسان کند که انتهای آن دایره‌ای را توصیف می‌کند، آنگاه نور را قطبی شده دایره‌ای می‌گویند (شکل 3.6.2). جی).

در یک پرتو پلاریزه صفحه، صفحه نوسان برداری را صفحه نوسان می نامند.

صفحه ای که از پرتو و بردار عبور می کند، صفحه قطبش نامیده می شود.

دانشگاه ملی تحقیقات MPEI

(انستیتو انرژی مسکو)

گروه فیزیک به نام. V. A. Fabrikanta

آزمایشگاه 3

در درس "فیزیک عمومی"

تعیین طول موج نور با استفاده از توری پراش

تکمیل شد:

دانشجوی سال دوم

گرم FM-1-14

ناووف ام. ام.

پذیرفته شده:

استاد ارشد

بامبورکینا I. A.

مسکو 2015

هدف کار:مشاهده طیف پراش یک توری، اندازه گیری طول موج نور ساطع شده از یک لامپ طیفی، و مطالعه ویژگی های طیف سنجی یک توری پراش.

1. معرفی

یک توری پراش شفاف تخت، سیستمی از شکاف های باریک شفاف با فاصله مساوی است که توسط نوارهای مات از هم جدا شده اند. مقدار عرض بترک ها و نوارهای مات آدوره شبکه نامیده می شود د(عکس. 1).

برنج. 1

برنج. 2

اجازه دهید یک موج تک رنگ صاف روی توری عمود بر سطح آن بیفتد. پس از عبور موج از توری، جهت انتشار موج تغییر می کند و پراش رخ می دهد.

پراش در پرتوهای موازی معمولاً پراش فراونهوفر نامیده می شود. برای تحقق شرایط تشکیل و مشاهده طیف پراش گریتینگ، از طرح زیر استفاده می شود (شکل 2). نور تک رنگ از منبع 1 ترک را روشن می کند 2 ، در صفحه کانونی عدسی جمع کننده قرار دارد 3 . بعد از لنز 3 پرتو موازی نور بر روی یک توری پراش تابیده می شود 4 . موج نور هنگام عبور از توری پراش می شود و امواج منسجم ثانویه را تشکیل می دهد. آنها توسط لنز جمع آوری می شوند 5 روی صفحه در صفحه کانونی آن 6 .

اگر توزیع شدت در حین پراش در هر شکاف و توزیع مجدد انرژی در فضا به دلیل تداخل امواج از همه شکاف ها را در نظر بگیریم، توزیع شدت نور را در الگوی پراش به دست می آوریم. در زوایای پراش کوچک، محاسبه با استفاده از روش گرافیکی اضافه کردن دامنه آسان تر است.

یک شکاف که طول آن باشد لبسیار بزرگتر از عرض آن ب (ل >> ب) یک پرتو موازی نور می افتد. بر اساس اصل هویگنز-فرنل، هر نقطه از سطح موج به منبعی از امواج کروی ثانویه تبدیل می شود که در تمام جهات در زوایای پراش q منتشر می شوند. این امواج منسجم هستند و وقتی روی هم قرار می گیرند می توانند تداخل داشته باشند. اجازه دهید قسمت باز جبهه موج در صفحه شکاف را به نوارهای باریک با عرض و طول مساوی تقسیم کنیم. لموازی با لبه های شکاف (شکل 3 را ببینید). هر یک از این نوارها نقش یک منبع ثانویه امواج را ایفا می کند. از آنجایی که مساحت نوارها برابر است، دامنه ارتعاش Δ یک آیکه از این منابع می آیند با یکدیگر برابر خواهند بود و فازهای اولیه این امواج نیز برابر خواهند بود، زیرا صفحه شکاف با سطح موج موج فرودی منطبق است. نوسانات از هر نوار با همان تاخیر فاز به نقطه مشاهده می رسند که به نوبه خود به زاویه پراش q بستگی دارد. این تاخیر را می توان از رابطه پیدا کرد (شکل 3).

برنج. 3

a b شکل. 4

اختلاف فاز پرتوهایی که از لبه های شکاف می آیند، جایی که اختلاف هندسی در مسیر پرتوهای بیرونی است (شکل 3).

برای یافتن دامنه حاصل از نوسانات امواجی که به نقطه مشاهده P می رسند، به صورت زیر عمل می کنیم. اجازه دهید دامنه نوسانات ارسال شده توسط هر نوار را به شکل یک بردار نشان دهیم، تاخیر این نوسانات در فاز به مقدار g من، آن را با چرخش بردار در خلاف جهت عقربه های ساعت نشان می دهیم. سپس مجموع بردارها مانند یک زنجیره از بردارها به نظر می رسد، از نظر قدر یکسان و نسبت به یکدیگر با یک زاویه g می چرخند. من(شکل 4). دامنه به دست آمده () برداری است که وتری از یک کمان دایره ای با شعاع است. آر. بدیهی است که اجازه دهید با نشان دادن آ 0 طول قوس متشکل از حلقه های زنجیره ای (). از آن به بعد. از این دو رابطه به دست می آید که . از شدت نور من ~ آ 2، سپس برای توزیع روشنایی صفحه، فرمول را به دست می آوریم:

جایی که . روشنایی صفر (حداقل پراش) در نقاطی مشاهده می شود که، به عنوان مثال. در (در g = 0، همه بردارها در امتداد یک خط مستقیم قرار می گیرند، و من = من 0 – حداکثر صفر).

از اینجا شرط حداقل در حین پراش نور توسط یک شکاف را بدست می آوریم:

, متر = 1, 2, 3… (2)

نمودار وابستگی مناز sin q در شکل نشان داده شده است. 5.

توری پراش شامل نچنین ترک هایی (تا هزار یا بیشتر). هنگامی که نور روی توری می افتد، هر یک از شکاف ها تصویری را در صفحه صفحه نمایش می دهد که در شکل نشان داده شده است. 5.

هنگامی که این الگوها روی هم قرار می گیرند، از نظر مکانی منطبق خواهند شد، زیرا موقعیت مکانی آنها نه با توجه به اینکه پرتوها از کجا آمده اند، بلکه با زاویه q که این پرتوها در آن حرکت می کنند تعیین می شود (در شکل 2 می توان دید که پرتوهایی که از شکاف های مختلف بیرون می آیند، اما در همان زاویه همان q به یک نقطه روی صفحه برخورد می کند). اگر امواجی که از شکاف ها می آیند منسجم نبودند، چنین برهم نهی منجر به افزایش ساده در شدت نور روی صفحه می شود. نبار در مقایسه با روشنایی از یک شکاف. اما این امواج منسجم هستند و این منجر به توزیع مجدد انرژی روی صفحه می شود، اما در هر یک از ماکزیمم ها از یک شکاف.

برای یافتن این توزیع مجدد انرژی، پرتوهایی را که از دو نقطه متناظر از شکاف‌های مجاور می‌آیند، در نظر بگیرید. از نقاطی که در دوردست قرار دارند داز یکدیگر (شکل 1). اختلاف مسیر D امواجی که از این نقاط در زاویه پراش q برابر است با (شکل 1).

اگر شرط حداکثر تداخل برآورده شود، یک نوار روشن در محل مناسب روی صفحه نمایش قرار می گیرد.

بنابراین، موقعیت به اصطلاح حداکثر اصلیبا فرمول تعیین می شود:

, n = 0, 1, 2, 3… (3)

حداقل شدت در هنگام تداخل متقابل در مواردی رخ می دهد که اختلاف فاز امواج از شکاف های مجاور برابر باشد و غیره. برای این زوایای پراش، زنجیره بردارها یک بار (شکل 4a)، دو بار و غیره به یک دایره بسته می شود. و بردار کل . یعنی این زوایای پراش به اصطلاح مطابقت دارد حداقل های اضافی، که موقعیت آن را می توان با استفاده از فرمول پیدا کرد

, ک= 1، 2، 3…، اما ک ن, 2ن, 3ن… (4)

بنابراین، بین حداکثر اصلی وجود دارد ن- 1 حداقل اضافی بین پایین ترین حد اضافی، اوج های ثانویه ضعیف هستند. تعداد این ماکزیمم ها که در فاصله بین ماکزیمم های اصلی مجاور قرار می گیرند برابر است با ن – 2.

زوایای پراشی که هیچ یک از شکاف ها در جهت آنها نور نمی فرستند مطابقت دارند پایین ترین سطحکه با فرمول (2) تعیین می شوند.

تصویر حاصل از توزیع شدت نور بر روی صفحه نمایش با در نظر گرفتن فرمول های (1)، (2)، (3) و (4) در شکل ارائه شده است. 6. در اینجا خط نقطه چین توزیع شدت را در حین پراش توسط یک شکاف تکرار می کند.

هنگامی که یک توری با نور غیر تک رنگ روشن می شود، پراش با تجزیه نور به یک طیف همراه است. حداکثر مرکزی همان رنگ منبع خواهد بود، زیرا در q = 0 امواج نوری با هر طولی اختلاف مسیر صفر دارند. در سمت چپ و راست آن حداکثر برای طول موج های مختلف 1، 2 و غیره وجود خواهد داشت. مرتبه های قدر، و یک طول موج بزرگتر با زاویه پراش بزرگتر q مطابقت دارد. بنابراین، یک توری پراش می تواند به عنوان یک دستگاه طیفی عمل کند (شکل 7). هدف اصلی چنین دستگاه هایی اندازه گیری طول موج نور مورد مطالعه است.

2. شرح نصب و روش اندازه گیری

مسئله اندازه گیری طول موج با استفاده از توری با ثابت شناخته شده دبه اندازه گیری زوایای q که در آن حداکثر پراش مشاهده می شود کاهش می یابد.

نمودار نوری نصب در شکل نشان داده شده است. 8.

منبع نور 1 ترک را روشن می کند 2 ، در صفحه کانونی عدسی قرار دارد 3 هماهنگ کننده پس از کولیماتور، یک پرتو موازی نور به طور معمول بر روی توری پراش می افتد. 4 روی میز دستگاه نصب شده است. موج پراش نور وارد عدسی می شود 5 تلسکوپ 6 و از طریق چشمی مشاهده می شود 7 .

زوایای پراش با استفاده از یک دستگاه نوری - یک گونیا (شکل 9) اندازه گیری می شود.

بخش های اصلی آن: محدوده لکه بینی 1 ، چشمی او 2 ، پیچ فوکوس لوله 3 ، میکروسکوپ خواندن 4 ، جدول 5 ، کولیماتور 6 , پیچ کولیماتور میکرومتریک 7 ، که اندازه شکاف کولیماتور را تنظیم می کند. تلسکوپ بر روی یک پایه چرخان نصب شده است 8 .

زوایایی که در آن ماکزیمم پراش مشاهده می شود با استفاده از دستگاه خواندن اندازه گیری می شود. بزرگی زاویه q توسط اندام تعیین می شود که از طریق چشمی میکروسکوپ مشاهده می شود. 4 با چراغ های روشن بر روی سطح صفحه شیشه ای یک مقیاس با تقسیم بندی از 0 درجه تا 360 درجه وجود دارد. تقسیمات با افزایش 1 درجه دیجیتالی می شوند. هر درجه به سه بخش تقسیم می شود. بنابراین مقدار تقسیم اندام 20 است. (با روش اندازه گیری اتخاذ شده، از تصویر معکوس و مقیاس موجود در پنجره سمت راست میدان دید میکروسکوپ مرجع استفاده نمی شود.) میدان دید مرجع. میکروسکوپ در شکل 10 نشان داده شده است.

شمارش به شرح زیر انجام می شود. در پنجره سمت چپ تصاویری از مقاطع قطری مخالف اندام و یک شاخص عمودی برای شمارش درجه وجود دارد. تعداد درجه ها برابر است با عدد قابل مشاهده نزدیک به سمت چپ شاخص عمودی در مقیاس بالایی. تعداد دقیقه ها با دقت 5 اینچ با موقعیت شاخص عمودی تعیین می شود. قرائت در شکل تقریباً برابر با 0°15' است.

3. دستور کار

1. منبع نور (لامپ طیفی) را در جلوی شکاف کولیماتور روشن کنید. لامپ در عرض 5-7 دقیقه روشن می شود.

2. با نصب آشنا شده و جدول مشخصات وسایل اندازه گیری را پر می کنیم.

3. با چرخاندن تلسکوپ، چهارراه چشمی را با تصویر شکاف کولیماتور تراز کنید. تصویر شکاف باید به وضوح قابل مشاهده و تقریباً 1 میلی متر باشد.

4. با چرخاندن قاب چشمی لوله ای به تصویر واضحی از تیرگی در میدان دید چشمی دست خواهیم یافت.

5. یک توری پراش با ثابت مشخص روی میز گونیا نصب می کنیم تا صفحه آن عمود بر محور کولیماتور باشد.

6. روشنایی گونیا را روشن کنید.

7. با چرخاندن تلسکوپ به چپ و راست، خطوط طیف لامپ را که به صورت متقارن از حداکثر صفر (بی رنگ) قرار دارند، مشاهده می کنیم. تلسکوپ باید به آرامی و نرم بچرخد. اجازه دهید تعداد سفارشات قابل مشاهده طیف را در هر طرف حداکثر صفر تعیین کنیم. در عین حال، ما مطمئن خواهیم شد که خواندن در مقیاس اندام هنگام مشاهده خطوط طیفی از محدوده زاویه 20 تا 270 درجه فراتر نمی رود. در غیر این صورت، پیچ میز را آزاد کنید 5 و با چرخاندن نازل با این پیچ حول محور عمودی دستگاه قسمت مورد نیاز صفحه را معرفی می کنیم. سپس دوباره پیچ را ببندید. این باعث می شود در حین اندازه گیری ها از مقیاس صفر شماره گیری عبور نکنید و در نتیجه محاسبات را ساده می کند.

8. زوایایی را که در آن خطوط مختلف در طیف های 1±، 2±، 3± و غیره مشاهده می شود، اندازه گیری می کنیم. دستورات قدر برای انجام این کار، خطوط ضربدری چشمی تلسکوپ را به صورت متوالی به هر خط در سمت چپ و راست قسمت مرکزی می کشیم. همانطور که در بالا توضیح داده شد، با استفاده از میکروسکوپ خواندن، در امتداد اندام قرائت می کنیم.

9. داده های اندازه گیری را وارد جدول می کنیم. 1. هنگام اندازه گیری از طریق α موقعیت زاویه ای خطوط طیف در سمت راست حداکثر صفر و با β - در سمت چپ حداکثر صفر نشان داده شده است.

میز 1

ثابت شبکه د = 6,03*10 -5

4. پردازش نتایج اندازه گیری

1. زاویه پراش q را با استفاده از فرمول محاسبه کنید

2. برای هر مقدار از زاویه q با استفاده از فرمول طول موج را پیدا می کنیم

(بنفش)،

(سبز).

3. میانگین طول موج یک خط با رنگ مشخص را محاسبه کنید. نتایج محاسبات را در جدول می نویسیم. 1.

4. از فرمول (6) فرمول محاسبه خطا Δλ را استخراج کرده و خطا را محاسبه می کنیم. Δα = Δβ = 5'.

5. بیایید نتیجه نهایی را یادداشت کنیم

5. کار اضافی

مشخصه های اصلی یک دستگاه طیفی پراکندگی زاویه ای و وضوح است.

تعیین پراکندگی زاویه ای

پراکندگی زاویه ای- مشخصه توانایی دستگاه برای جداسازی فضایی امواج با طول های مختلف. اگر دو خط در طول موج δλ با هم تفاوت داشته باشند و یک اختلاف زاویه متناظر δq وجود داشته باشد، آنگاه اندازه پراکندگی زاویه ای برابر است با .

بگذارید دو خط طیفی نزدیک با طول موج λ 1 و λ 2 وجود داشته باشد. فاصله بین حداکثر δq برای طول موج λ 1 و λ 2 از شرط حداکثر شدت اصلی پیدا می شود. پس از تمایز در فرمول (3) داریم: د·cos(q)·δq = nδλ. جایی که

اجازه دهید فواصل زاویه ای دوتایی زرد را در تمام ترتیبات قابل مشاهده طیف اندازه گیری کنیم.

با دانستن تفاوت δλ = λ 1 - λ 2، پراکندگی زاویه ای توری پراش را در طیف مرتبه 1 و 2 (یا سایر مرتبه ها) محاسبه می کنیم. بعد، ابعاد، اندازه دی- دقیقه / نانومتر

نتیجه به دست آمده با نتیجه نظری (فرمول 7) قابل مقایسه است.

در طول کار آزمایشگاهی، اندازه گیری دو موج نور انجام شد. مشخص شد که آنها با مقادیر جدول مطابقت دارند.

تعیین طول موج نور با استفاده از توری پراش

1. پراش نور

پراش نور پدیده خم شدن نور به دور موانعی است که در مسیر خود با آن مواجه می شوند و با توزیع مجدد فضایی انرژی موج نور - تداخل همراه است.

محاسبه توزیع شدت نور در الگوی پراش را می توان با استفاده از اصل هویگنز-فرنل انجام داد. طبق این اصل، هر نقطه در جلوی موج نور، یعنی سطحی که نور به آن انتشار یافته است، منبع امواج نوری منسجم ثانویه است (فازها و فرکانس های اولیه آنها یکسان است). نوسان حاصل در هر نقطه از فضا ناشی از تداخل همه امواج ثانویه است که به این نقطه می رسند، با در نظر گرفتن دامنه و فاز آنها.

موقعیت جبهه موج نور در هر لحظه از زمان توسط پوشش همه امواج ثانویه تعیین می شود. هرگونه تغییر شکل جبهه موج (که ناشی از تعامل نور با موانع است) منجر به انحراف موج نور از جهت اصلی انتشار می شود - نور به منطقه سایه هندسی نفوذ می کند.

2. توری پراش

توری پراش شفاف یک صفحه شیشه ای یا فیلم سلولوئیدی است که در فواصل کاملاً مشخص، شیارهای ناهموار باریک (سکته های) که نور را از خود عبور نمی دهند با یک کاتر مخصوص بریده می شوند. مجموع عرض شکاف شفاف و ناگسستنی (شکاف) و عرض شیار را ثابت شبکه یا دوره می گویند.

اجازه دهید یک موج نوری تک رنگ صاف با طول موج روی توری بیفتد (اجازه دهید ساده ترین مورد را در نظر بگیریم - وقوع طبیعی موج روی توری). هر نقطه از فضاهای شفاف شبکه که موج به آن می رسد، طبق اصل هویگنز، منبع امواج ثانویه می شود. در پشت میله ها، این امواج در همه جهات منتشر می شوند. زاویه انحراف نور از حالت عادی به توری را زاویه پراش می گویند.

اجازه دهید یک عدسی جمع کننده را در مسیر امواج ثانویه قرار دهیم. تمام امواج ثانویه منتشر شده با زاویه پراش یکسان را در مکان مناسب روی سطح کانونی خود متمرکز می کند.

برای اینکه همه این امواج هنگام روی هم قرار گرفتن یکدیگر را به حداکثر برسانند، لازم است که اختلاف فاز امواجی که از نقاط متناظر دو شکاف مجاور یعنی نقاطی که در فواصل مساوی از لبه‌های این شکاف‌ها قرار دارند، برابر باشد. عدد زوج یا تفاوت مسیر این امواج برابر با یک عدد صحیح بود مترطول موج از شکل 1 مشخص است که تفاوت در مسیر امواج 1 و 2

برای نقطه P برابر است با:

در نتیجه، شرط حداکثر شدت موج نور حاصل در حین پراش از یک توری پراش را می توان به صورت زیر نوشت:

, (2)

جایی که علامت مثبت مربوط به اختلاف مسیر مثبت و علامت منفی به منفی است.

ماکسیما شرط رضایت بخش (2) را اصل، عدد می نامند مترترتیب حداکثرهای اصلی یا ترتیب طیف نامیده می شود. معنی متر=0 مربوط به حداکثر مرتبه صفر (حداکثر مرکزی) است. یک حداکثر از مرتبه صفر، دو حداکثر از مرتبه های اول، دوم و بالاتر وجود دارد - در سمت چپ و به سمت راست صفر.

موقعیت ماکزیمم اصلی به طول موج نور بستگی دارد. بنابراین، هنگامی که گریتینگ با نور سفید روشن می شود، ماکزیمم تمام ردیف ها به جز صفر، مربوط به طول موج های مختلف، نسبت به یکدیگر جابجا می شوند، یعنی به یک طیف تجزیه می شوند. مرز بنفش (طول موج کوتاه) این طیف رو به مرکز الگوی پراش است، مرز قرمز (طول موج بلند) رو به حاشیه است.

3. شرح نصب

کار بر روی یک طیف سنج GS-5 با یک توری پراش نصب شده روی آن انجام می شود. گونیا دستگاهی است که برای اندازه گیری دقیق زوایای طراحی شده است. شکل ظاهری طیف سنج GS-5 در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2

کولیماتور 1، مجهز به یک شکاف طیفی قابل تنظیم توسط یک پیچ میکرومتری 2، بر روی یک پایه ثابت نصب شده است. شکاف رو به (لامپ جیوه) است. یک توری پراش شفاف 4 بر روی مرحله جسم 3 نصب شده است.

الگوی پراش از طریق چشمی 5 تلسکوپ 6 مشاهده می شود.

هدف از این کار بررسی توری پراش، یافتن ویژگی‌های آن و استفاده از آن برای تعیین طول امواج نور در طیف انتشار بخار جیوه است.

در آزمایشگاه کارگاه فیزیکی گروه فیزیک USTU-UPI از یک لامپ جیوه به عنوان منبع طیف خطی در آزمایشگاه شماره 29 استفاده می شود که در آن هنگام تخلیه الکتریکی، یک طیف خطی از تابش است. تولید شده، که پس از عبور از کولیماتور طیف‌سنج GS-5، روی یک توری پراش می‌افتد (عکس GS-5 در فایل عنوان نشان داده شده است). آزمايشگر زاويه پراش را با دقت تا چند ثانيه با نشان دادن خط ديد چشمي روي خط متناظر طيف تعيين مي كند، سپس با استفاده از روشي كه در بالا توضيح داده شد، طول موج خط انتخاب شده را محاسبه مي كند.

در نسخه کامپیوتری این اثر، شرایط تجربی کاملاً دقیق مدل‌سازی شده‌اند. یک چشمی روی صفحه نمایش نمایش داده می شود که خط دید آن باید به سمت هر خط طیفی انتخاب شده، به طور دقیق تر در وسط نوار رنگی باشد، که دقت اندازه گیری زاویه را به چند ثانیه قوس افزایش می دهد.

مانند طیف واقعی بخار جیوه، کار کامپیوتری همچنین چهار خط روشن قابل مشاهده طیف را "تولید" می کند: بنفش، سبز و دو خط زرد. طیف ها به طور متقارن نسبت به حداکثر مرکزی (سفید) آینه قرار دارند. در زیر چشمی، برای جهت گیری بهتر، تمام خطوط طیف جیوه روی یک نوار نازک سیاه نشان داده شده است. علاوه بر این، دو خط زرد در یک خط ادغام می شوند. واقعیت این است که این خطوط در نزدیکی قرار دارند و دارای طول موج های مشابه هستند - به اصطلاح دوتایی ، اما روی یک توری پراش خوب جدا می شوند (تحلیل می شوند) که در چشمی قابل مشاهده است. در این کار یکی از وظایف تعیین قدرت تفکیک گریتینگ پراش است.

بنابراین، با نگه داشتن مکان نما روی "Measurements" و فشار دادن دکمه سمت چپ ماوس، می توانید اندازه گیری را شروع کنید. می‌توانید چشمی را در چهار حالت مختلف، چپ و راست، «چرخش» کنید تا زمانی که یک خط عمودی رنگی در میدان دید چشمی ظاهر شود. شما باید خط دید عمودی مشکی چشمی را در قسمت مرکزی نوار رنگ قرار دهید، در حالی که مقادیر زاویه پراش بر روی صفحه نمایش دیجیتال با دقت چند ثانیه قوس نمایش داده می شود. خطوط طیفی تقریباً از 60 تا 150 درجه متغیر است. در عین حال، دقت مقادیر عددی زوایا و در نتیجه صحت نتایج به‌دست‌آمده به دقت آزمایش‌ها بستگی دارد. به آزمایشگر این فرصت داده می شود تا خودش توالی اندازه گیری ها را انتخاب کند.

نتایج اندازه گیری باید در جداول گزارش مناسب وارد شده و محاسبات لازم انجام شود.

4.1 تعیین طول موج خطوط طیفی بخار جیوه.

اندازه‌گیری‌ها برای خطوط طیفی مرتبه اول (m=1) انجام می‌شود. ثابت شبکه d=833.3 نانومتر، طول (عرض) آن 40 میلی متر است. مقدار سینوس یک زاویه را می توان از جداول مربوطه یا با استفاده از ماشین حساب تعیین کرد، اما باید در نظر داشت که ثانیه ها و دقیقه های قوس باید به اعشار درجه تبدیل شوند، یعنی 30 دقیقه برابر با 0.5 درجه است. ، و غیره.

نتایج اندازه گیری در جدول 2 گزارش وارد شده است (به پیوست مراجعه کنید). مقدار طول موج با استفاده از فرمول (2) به دست می آید:

4.2.محاسبه خصوصیات گریتینگ پراش.

حداکثر ارزش سفارش مترطیف پراش برای هر توری پراشی را می توان در صورت تابش معمولی نور روی توری با استفاده از فرمول زیر تعیین کرد:

معنی مترحداکثر برای طولانی ترین طول موج تعیین می شود - در این کار برای خط زرد دوم. بالاترین مرتبه طیف ها برابر با قسمت صحیح (بدون گرد کردن!) نسبت است.

وضوح آریک توری پراش با توانایی آن در جداسازی (تحلیل) خطوط طیفی که از نظر طول موج کمی متفاوت هستند مشخص می شود. الف- مقدماتی

طول موجی که اندازه گیری نزدیک آن است کجاست.

حداقل اختلاف در طول موج دو خط طیفی به طور جداگانه در طیف درک می شود.

مقدار معمولاً با معیار ریلی تعیین می شود: دو خط طیفی و اگر حداکثر از مرتبه ای باشد مجاز در نظر گرفته می شود. متریکی از آنها (با طول موج طولانی تر)، که توسط شرایط تعیین می شود

,

با اولین حداقل اضافی در طیف همان ترتیب منطبق است متربرای خط دیگری که با شرط تعیین می شود:

.

از این معادلات نتیجه می شود که

,

و وضوح گریتینگ برابر است با

(6)

بنابراین، وضوح گریتینگ به ترتیب بستگی دارد مترطیف و از تعداد کل نضربات قسمت کار گریتینگ، یعنی بخشی که تابش مورد مطالعه از آن عبور می کند و الگوی پراش حاصل به آن بستگی دارد. با استفاده از فرمول (5) قدرت تفکیک یافت می شود آرتوری پراش مورد استفاده برای طیف مرتبه اول (م=1).

از (5) نتیجه می شود که دو خط طیفی توسط یک توری پراش در طیف حل می شوند. متر- مرتبه اگر:

. (7)

با استفاده از مقدار یافت شده آر، فرمول (5) قدرت تفکیک خطی خطوط طیفی نزدیک به خطوط f، z، z طیف را (به نانومتر) محاسبه می کند.

(9)

فاصله زاویه ای بین دو خط طیفی که از نظر طول موج با .

فرمول برای دیبا افتراق رابطه (2) به دست می آید: سمت چپ با زاویه پراش و سمت راست با طول موج:

,

(10)

بنابراین، پراکندگی زاویه ای توری به مرتبه m طیف، ثابت بستگی دارد دتوری و در زاویه پراش.

با استفاده از فرمول (8)، می توان پراکندگی زاویه ای توری پراش مورد استفاده برای زوایای پراش متناظر با تمام طول موج های اندازه گیری شده طیف را یافت (بر حسب "/nm-ثانیه قوسی در هر نانومتر).

نتایج به دست آمده در جدول 2 گزارش ثبت شده است (به پیوست مراجعه کنید).

5. سوالات امنیتی

1. پدیده پراش نور چیست؟

2. اصل هویگنز-فرنل را فرموله کنید.

3. قدرت تفکیک گریتینگ پراش چیست و به چه چیزی بستگی دارد؟

4. نحوه تعیین تجربی پراکندگی زاویه ای دیتوری پراش؟

5. شکل ظاهری الگوی پراش به دست آمده از یک توری شفاف چگونه است؟

کاربرد

فرم گزارش

صفحه عنوان:

U G T U - U P I

گروه فیزیک

گزارش

برای کارهای آزمایشگاهی 29

مطالعه توری های پراش. تعیین طول موج نور با استفاده از توری پراش

دانشجو______________________________

گروه ________________________________

تاریخ _________________________________

معلم……………………….

در صفحات داخلی:

1. فرمول های محاسبه:

طول موج کجاست

m – ترتیب طیف (m=1).

2. منبع تابش - لامپ جیوه.

3. مسیر پرتو

4. نتایج اندازه گیری زوایای پراش و طول موج

خطوط طیفی بخار جیوه میز 1

خط طیفی

حداکثر سفارش متر

5. محاسبه مقادیر مورد نیاز.

جدول 2 ویژگی های توری پراش

دوره زمانی د	بالاترین سفارش متر اسپکتروف	مجاز	خطی اجازه	پراکندگی زاویه ای دیبرای خطوط جیوه، ”/nm

6. تخمین خطاهای اندازه گیری طول موج با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

مقادیر جدول طول موج خطوط طیفی بخار جیوه:

بنفش - 436 نانومتر،

سبز - 546 نانومتر،

1 زرد - 577 نانومتر،

2 زرد - 579 نانومتر.

کار آزمایشگاهی شماره 4

تعیین طول موج نور با استفاده از گریتینگ پراش

تجهیزات جانبی:دستگاهی برای تعیین طول موج نور، منبع نور، توری پراش.

توری پراش سیستمی از تعداد زیادی شکاف موازی نزدیک است. ساده ترین توری پراش یک صفحه شیشه ای است که یک سری خطوط موازی با استفاده از دستگاه تقسیم بر روی آن اعمال می شود.

مکان های ترسیم شده توسط دستگاه تقسیم نور را به گونه ای پراکنده می کنند که فقط قسمت ناچیزی در جهت مشاهده می افتد، بنابراین خطوط عملاً فضاهای تقریباً مات بین قسمت های دست نخورده صفحه - شکاف ها هستند.

در ساده ترین حالت تابش معمولی نور بر روی یک توری پراش شفاف با عرض خطوط شفاف "د"و مات "ب"موقعیت حداکثر با برابری تعیین می شود:

mλ=(a+b)sinφ =d sinφ

جایی که φ - زاویه پراش

λ - طول موج نور

متر- ترتیب طیف

d=(a+b)- به اصطلاح "شبکه دائمی"

در m=0 شرط حداکثر برای تمام طول موج ها برآورده می شود، یعنی. در

φ=0 یک نوار نور مرکزی (سفید) مشاهده می شود؛ حداکثر رنگ (نوارهای رنگی) به طور متقارن در سمت راست و چپ قرار دارند. تعداد محدود طیفی که می توان با استفاده از گریتینگ بدست آورد از رابطه زیر بدست می آید:

یکی از ویژگی های اصلی توری پراش، قدرت تفکیک آن است. قدرت تفکیک گریتینگ از شرط ریلی تعیین می شود که بر اساس آن: دو خط طیفی تفکیک می شوند (قابل مشاهده

به طور جداگانه) اگر حداکثر یک خط باشد (λ 1) در محل نزدیکترین حداقل خط دوم می افتد (λ 2) .

از این نتیجه می شود که وضوح گریتینگ /آ/ اراده:

جایی که ن - تعداد خطوط توری

در گریتینگ به دلیل مقادیر زیاد قدرت تفکیک بیشتری حاصل می شود ن ,

زیرا سفارش تی کم اهمیت.

وسیله ای برای تعیین طول موج نور. هدف و دستگاه.

دستگاه /شکل 1/ از یک نوار چوبی /1/ با مقطع مستطیلی تشکیل شده است
کمی بیشتر از 500 میلی متر طول دارد. در سطح بالایی قفسه یک فلس وجود دارد
با تقسیمات میلیمتری در لبه های کناری لت ها شیارهایی وجود دارد که در تمام طول کشیده شده اند. در وسط ریل، در پایین، متصل است

براکت فلزی / 2/, که انتهای یک میله فلزی با استفاده از لولا به آن وصل می شود / 3 /. روی این میله می توان ریل را در زوایای مختلف با پیچ ثابت کرد /4/. یک قاب به انتهای قسمت جلویی ریل متصل شده است /5/. یک توری پراش با 500 و 1000 خط در 1 سانتی متر داخل قاب قرار داده می شود و در انتهای دیگر نوار لغزنده /6/ روی ریل قرار می گیرد که پایه های آن در شیارهای ریل می لغزند. لغزنده می تواند در تمام طول ریل حرکت کند. یک سپر روی نوار لغزنده وجود دارد /7/, که قسمت بالایی آن مشکی رنگ شده است.

قسمت پایین سپر سفید با فلس سیاه است. مقیاس صفر در وسط سپر قرار دارد. تقسیمات سانتی متری با اعداد ترتیبی مشخص می شوند. یک پنجره مستطیل شکل کوچک /8/ در زیر تقسیم صفر در سپر و یک شکاف در زیر آن در امتداد تقسیم صفر ترازو ساخته شده است. دستگاه با یک گریت پراش با 500 تقسیم در هر 1 سانتی متر عرضه می شود.

کارکردن با دستگاه

برای انجام کارهای آزمایشگاهی برای تعیین طول موج نور، باید یک سه پایه یا پایه از روی میز بالابر داشته باشید. /9/ /شکل 4/ و یک لامپ برق در پریز روی سه پایه.

یک سوکت با یک لامپ برق روی میز نمایش نصب شده است تا فقط یک رشته گرم شده لامپ به شکل یک خط مستقیم عمودی برای کسانی که کار می کنند قابل مشاهده باشد. برای این منظور، یک "soffit" مناسب است - یک لامپ /شکل 2/، که دارای یک رشته است.

برای کار، می توانید از یک لامپ الکتریکی معمولی استفاده کنید و آن را همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است قرار دهید.

نصب برای عملیات همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است مونتاژ شده است.

دستگاه روی پایه ای از روی میز بالابر در ارتفاعی نصب می شود که ریل نصب شده به صورت افقی در آن قرار دارد.

سطح چشم ناظر یک نوار لغزنده با مقیاس رو به قاب در انتهای عقب ریل قرار داده شده است. یک توری پراش در قاب قرار داده شده است (خطوط اعمال شده روی توری پراش باید موازی با شکاف روی سپر باشد). چشم خود را به توری پراش نزدیک کنید، دستگاه را به سمت منبع نور بگیرید تا قسمت بنفش هر طیف رو به وسط مقیاس (به سمت شکاف) باشد.

با توری با 500 خط در 1 سانتی متر، معمولاً سه جفت طیف قابل مشاهده است. در این حالت بهتر است از جفت طیف اول یا دوم / شمارش از پنجره / استفاده کنید. طیف های بیشتر معمولاً مبهم هستند و تعیین مرزهای آنها دشوار است. اگر طیف ها موازی با مقیاس نباشند، به این معنی است که خطوط روی توری با رشته لامپ موازی نیستند. لامپ را با توری کمی بچرخانید و مطمئن شوید که طیف ها با مقیاس موازی هستند. در کارهای آزمایشگاهی، طول موج نور پرتوهای بنفش و قرمز در لبه دید آنها تعیین می شود. برای انجام این کار، روی یک مقیاس در طیف اول که در دو طرف پنجره قرار دارد، فاصله از وسط مقیاس تا پرتوهای بنفش شدید و قرمز شدید /"C"/ حساب کنید.

اگر مقادیر به‌دست‌آمده برای طیف چپ با مقادیر مربوط به سمت راست متفاوت است، مقدار متوسط ​​را برای هر دو پرتو بنفش و قرمز پیدا کنید /مجموع مقادیر تقسیم بر دو شود/، سپس با استفاده از مقیاس روی چوب، فاصله سپر تا توری پراش که در تقسیم صفر مقیاس قرار دارد را بر حسب میلی متر تعیین کنید. تقسیم فاصله "C" از وسط مقیاس سپر تا پرتو مشاهده شده بر فاصله ل از سپر تا پراش

شبکه ها، مماس زاویه را بدست آورید φ ، که زیر آن این پرتو نمایان است. سینوس این زاویه برابر است با نسبت طول موج نور پرتو مشاهده شده به فاصله بین

میله های مجاور شبکه / i.e. ثابت شبکه د/.زیرا φ کوچک است، پس بدون خطای قابل توجه می توانیم آن را فرض کنیم tanφ≈sinφ ، سپس خواهیم داشت:

یا از:

در مورد ما " د برابر با 1/500 سانتی متر از یک گریتینگ با 500 خط در 1 سانتی متر یا 1/50 میلی متر با 50 خط در هر میلی متر خواهد بود. اگر طول موج نور با تعیین شود.

طیف های مرتبه دوم، سپس به جای آن λ نیاز به گرفتن (قرار دادن) 2λ . سپس:

برای به دست آوردن نتایج دقیق تر لازم است ل تا جایی که ممکن است بزرگ شوید و لغزنده را از روی سپر در امتداد ریل حرکت دهید تا جایی که ابتدا / یا انتهای / طیف بر روی ضربه سپر باشد و با در میلی متر کامل بیان می شود. نتایج به دست آمده با دستگاه را می توان از مثال زیر مشاهده کرد:

پرتوهای بنفش شدید در فاصله 11 میلی متری از تقسیم مقیاس صفر (هم در سمت راست و هم در سمت چپ) قابل مشاهده هستند. مقیاس در فاصله 495 میلی متری از توری پراش قرار دارد. پرتوهای قرمز شدید در فاصله 19 میلی متری با مقیاس 490 میلی متری قابل مشاهده هستند.

سپس طول موج پرتوهای بنفش برابر است با:

mk

الف، طول پرتوهای قرمز:

mk

کار آزمایشگاهی را می توان متفاوت انجام داد: با استفاده از طول موج های نور شناخته شده قبلی، ثابت یک توری پراش معین تعیین می شود. ثابت شبکه: میلی متر

, 1mm=10-3μm، که در آن m=1،2،3،…

تعیین وضوح یک توری پراش

با دانستن ثابت شبکه و اندازه گیری طول شبکه با خط کش، می توانید تعداد خطوط آن را پیدا کنید. ن (چنین تخمینی از تعداد ن فرض می کند که تمام میله های توری روشن و کار می کنند).

ترتیب طیف پراش متر در عبارت رزولوشن گنجانده شده است:

باید از تجربه برداشت کرد که کدام یک از طیف های پراش باالتر هنوز هم شدت کافی برای مشاهده دارد (در موارد نادر می تواند بیش از 3 یا 4 باشد).

ادبیات: 1. لندسبرگ، اپتیک.

2. درس فیزیک تصحیح آکادمیک پاپالکسی، ج 2.

3. فریش، تکنیک اسپکتروسکوپ.

تعیین طول موج نور با استفاده از

گونیومتر

گونیومتر.صفحه افقی 1 (دایره) گونیا به درجات یا قسمت هایی از آن تقسیم می شود. در مرکز اندام یک مرحله وجود دارد آ،که روی آن یک توری پراش قرار می گیرد. میز می تواند حول یک محور عمودی بچرخد. موقعیت زاویه ای جدول با شبکه توسط ورنیه زاویه ای اندازه گیری می شود N2،سر خوردن در امتداد اندام لوله کولیماتور به طور ثابت روی پایه گونیا نصب شده است. بهبا شکاف عمودی اس.کولیماتور یک پرتو موازی باریک از اشعه ها را به توری می فرستد. یک لوله در مقابل کولیماتور وجود دارد م،که می تواند حول محور عمودی که از مرکز اندام می گذرد بچرخد. موقعیت زاویه ای لوله ثابت می شود

با استفاده از ورنیه N1. چشمی لوله نوری M شامل رزوه های متقاطع است که در حین کار بر روی خط طیف پراش نصب می شود.

اندازه گیری زاویه φ ، توسط جهت های ماکزیمای اصلی با پرتوهایی که توسط شبکه منحرف نشده اند تشکیل می شود.

اطلاعات کلی: پراش موج عبارت است از خمش امواج در اطراف موانع کوچک یا لبه‌های سوراخ‌هایی که با طول موج قابل مقایسه هستند. مجموعه ای از شکاف های موازی باریک با عرض یکسان، متناسب با طول موج، که در فواصل مساوی از یکدیگر قرار دارند، توری پراش نامیده می شود.

اگر پرتوی از پرتوهای موازی با طول موج یکسان به یک توری پراش هدایت شود، بخشی از پرتو در جهت اصلی از توری عبور می کند و بخشی از اصلی منحرف می شود.

جهت ها به زاویه φ . این زاویه را زاویه پراش می نامند. مقدار آن به فاصله بین مراکز دو شکاف مجاور (a + b) و طول بستگی دارد.

موج A، نور فرود.

اگر پرتوهای عبوری از توری پراش در کانون عدسی جمع شوند، آنگاه بیشترین شدت نور در نقطه مربوط به

گوشه φ =0. حداکثر شدت زیر در نقاط به دست می آید

زوایای متناظر φ برای برآوردن معادله:

(الف + ب) گناهφ به = kλ(1)، که در آن (a+b) ثابت شبکه است،

k-ترتیب طیف پراش (ک=0,1,2,...).

فرمول (1) نشان می دهد که با دانستن (a + b)، φ k و ک،شما می توانید طول موج نور را پیدا کنید.

در این کار از گونیا برای اندازه گیری زوایای پراش استفاده می شود. یک توری پراش بر روی میز گونیا عمود بر محور کولیماتور نصب شده است. شکاف کولیماتور با یک لامپ روشن می شود.

اگر تلسکوپ را در جهت محور کولیماتور نصب کنیم، در میدان دید تلسکوپ ماکزیمم مرکزی صفر (تصویر شکاف کولیماتور) را خواهیم دید.

با حرکت لوله به سمت راست یا چپ، ابتدا یک طیف مرتبه اول را مشاهده خواهیم کرد. همانطور که لوله بیشتر می چرخد، یک طیف مرتبه دوم در میدان دید آن ظاهر می شود و غیره.

برای تعیین زاویه پراش هر موج، لازم است لامپ دید تلسکوپ را در خط رنگ مربوطه به ترتیب دلخواه در سمت راست یا چپ حداکثر صفر قرار دهید.

اجازه دهید هنگام نشانه گیری موقعیت لوله از صفر در مقیاس گونیا اندازه گیری شود

در سمت چپ α و در سمت راست β خواهد بود. سپس اختلاف خوانش β-α زاویه پراش را دو برابر می کند.

رویه اجرای کار

1. توضیحات گونیا را بخوانید.

2. کولیماتور را به سمت لامپ بگیرید. بررسی کنید که آیا توری پراش در جای خود قرار دارد یا خیر
عمود بر پرتو پرتوهایی که از کولیماتور بیرون می آیند.

3. تلسکوپ را روی حداکثر پراش مرکزی بگیرید.
با حرکت دادن لوله چشمی، تصویر واضحی از نخ بدست آورید.
کشیده شده در چشمی و تصویر واضحی از شکاف کولیماتور.

4. ابتدا محل تلاقی نخ ها را روی خط آبی در طیف مرتبه اول قرار دهید.
چپ، سپس راست در هر نصب، موقعیت لوله اندازه گیری می شود
بر اساس ورنیه تولید کنید تا

که در آن α و β قرائت ورنیه هستند.

5. اندازه گیری های مشخص شده در نقطه 4 را برای خط قرمز در طیف تکرار کنید
مرتبه دوم.

6. زوایای پراش را با استفاده از فرمول تعیین کنید:

سوالات و وظایف آماده سازی برای کار آزمایشگاهی شماره 4

"تعیین طول موج نور با استفاده از

توری پراش"

موضوع: پراش نور

1. ایده های اساسی در مورد دیدگاه های مدرن در مورد ماهیت نور.

2. به وضوح بدانید که چه پدیده هایی موجی و جسمی را تایید می کنند
ماهیت نور پدیده پراش نور به کجا تعلق دارد؟

3. اصل هویگنز. چه جوهره ای از اضافات به این اصل ساخته شده است
فرنل؟ /اصل هویگنز-فرنل/.

4. پدیده پراش نور چیست؟ قادر به ارائه واضح است
تعریف.

5. روش زون فرنل. آیا نور در یک خط مستقیم حرکت می کند یا خیر؟
پدیده های پراش فرنل / با کاربرد آن آشنا شوید
موارد خاص از روش منطقه فرنل/.

6. پدیده های پراش فراونهوفر / تفاوت آنها با پدیده های پراش
پدیده های فرنل/. پراش فراونهوفر توسط یک شکاف، شرط min و
حداکثر، نمودار انتشار /توزیع شدت نور/.

7. توری پراش - چیست، چگونه روشن می شود، نور چگونه حرکت می کند
بعد از توری، تفاوت مسیر بین تیرها، نحوه تأثیر حداقل و حداکثر.
حداقل و حداکثر اضافی - به چه چیزی مربوط می شود، چگونه تأثیر می گذارد
الگوی پراش.

8. چرا نور سفید توسط یک توری پراش به نور رنگی تجزیه می شود؟
دامنه.

9. بتوانید نمودار نوری طیف سنجی پراش را ترسیم کنید، بدانید
هدف از شکاف کولیماتور

10. ویژگی های گریتینگ: پراکندگی و وضوح. از چی
آیا آنها دقیقاً وابسته هستند؟ ملاک ریلی؟

11. طیف های پراش چگونه به نظر می رسند: رنگ های متناوب، نظم ها؟ چگونه
ظاهر طیف با جایگزینی یک گریتینگ با دیگری / با توری متفاوت تحت تأثیر قرار می گیرد
ثابت d/؟

12. آیا تعداد دستورات پراش محدود است یا خیر؟ تحت هر شرایطی

رابطه بین ثابت d و طول موج A، آیا پراش نور مشاهده می شود؟

13. پراش در توری های پراش حجمی را به اختصار معرفی کنید
/شبکه ​​های کریستالی/، فرمول Wulff-Bragg.

14. محتوای آزمایش های کاری و نتایج اصلی را به وضوح ارائه دهید.

15. نقش منفی پدیده های پراش در چیست
ابزار نوری؟

وزارت آموزش و پرورش و علوم روسیه

موسسه فناوری یگوریفسک (شعبه)

موسسه آموزشی بودجه ایالت فدرال

آموزش عالی حرفه ای

"دانشگاه دولتی فناوری مسکو "STANKIN"

(ETI FSBEI VPO MSTU "STANKIN")

دانشکده فناوری و مدیریت تولید

گروه علوم طبیعی

تعیین طول موج نور با استفاده از توری پراش

دستورالعمل انجام کارهای آزمایشگاهی

ETI. F.LR.05.

یگوریفسک 2014

گردآوری شده توسط: _____________ V.Yu. نیکیفوروف، هنر. معلم UNM

دستورالعمل ها تعاریف اولیه اپتیک هندسی را ارائه می دهند، قوانین اساسی اپتیک هندسی، و همچنین پراش نور، اصل هویگنز-فرنل، پراش توسط شکاف در پرتوهای موازی نور، ابزارهای طیفی و شبکه های پراش، تعیین تجربی طول موج نور با استفاده از توری پراش

دستورالعمل ها برای دانشجویان سال اولی در نظر گرفته شده است که در زمینه های آموزش لیسانس تحصیل می کنند: 151900 طراحی و پشتیبانی تکنولوژیکی تولید مهندسی خودکار، 220700 اتوماسیون فرآیندهای تکنولوژیکی و تولید، 280700 ایمنی Technosphere برای کارهای آزمایشگاهی در رشته "فیزیک".

دستورالعمل‌های روش‌شناختی در جلسه گروه آموزشی و روش‌شناختی (UMG) بخش UNM مورد بحث و تصویب قرار گرفت.

(شماره پروتکل ___________ به تاریخ __________)

رئیس UMG _____________ G.G Shabaeva

تعیین طول موج نور با استفاده از توری پراش

1-هدف کار:مطالعه پراش نور توسط یک توری و تعیین

طول موج نور، با استفاده از توری پراش با دوره مشخص d.

2 تجهیزات و مواد:دستگاه تعیین طول موج نور (نیمکت نوری)، پایه دستگاه، توری پراش، روشن کننده، فیلترهای نوری.

3.1 مطالعه مطالب نظری.

3.2 انجام آزمایش.

3.3 اندازه گیری های به دست آمده را در جدول وارد کنید.

3.4 نتایج اندازه گیری ها و محاسبات را در جدول گزارش وارد کنید.

3.5 نتیجه گیری کنید.

3.6 ایجاد یک گزارش

4 اطلاعات نظری در مورد کار

4.1 اپتیک هندسی. قوانین اساسی اپتیک هندسی

اپتیک - شاخه ای از فیزیک که به بررسی خواص و ماهیت فیزیکی نور و همچنین برهمکنش آن با ماده می پردازد. آموزه نور معمولاً به سه بخش تقسیم می شود:

اپتیک هندسی یا پرتو که بر اساس ایده پرتوهای نور است.

اپتیک موج که به مطالعه پدیده هایی می پردازد که در آنها خواص موجی نور آشکار می شود.

اپتیک کوانتومی ، که برهمکنش نور با ماده را مطالعه می کند که در آن خواص جسمی نور ظاهر می شود.

قوانین اساسی اپتیک هندسی مدت ها قبل از اینکه ماهیت فیزیکی نور مشخص شود شناخته شده بود.

قانون انتشار مستقیم نور : در یک محیط نوری همگن، نور در یک خط مستقیم حرکت می کند. یک اثبات تجربی این قانون می تواند سایه های تیز باشد که توسط اجسام مات ایجاد می شود که توسط نور از یک منبع به اندازه کافی کوچک ("منبع نقطه ای") روشن می شوند. دلیل دیگر، آزمایش معروف عبور نور از یک منبع دور از یک سوراخ کوچک است که منجر به تشکیل یک پرتو باریک از نور می شود. این تجربه منجر به ایده پرتو نور به عنوان یک خط هندسی می شود که نور در طول آن منتشر می شود. لازم به ذکر است که در صورت عبور نور از سوراخ های کوچکی که ابعاد آنها با طول موج قابل مقایسه است، قانون انتشار مستقیم نور نقض می شود و مفهوم پرتو نور مفهوم خود را از دست می دهد. بنابراین، اپتیک هندسی، بر اساس ایده پرتوهای نور، حالت محدود کننده اپتیک موج در λ → 0 است. محدودیت های کاربردی اپتیک هندسی در بخش پراش نور مورد بحث قرار خواهد گرفت.

در سطح مشترک بین دو محیط شفاف، نور می تواند تا حدی منعکس شود به طوری که بخشی از انرژی نور پس از بازتاب در جهت جدیدی منتشر می شود و بخشی از مرز عبور می کند و در محیط دوم به انتشار ادامه می دهد.

قانون بازتاب نور : پرتوهای فرود و منعکس شده و همچنین عمود بر سطح مشترک بین دو محیط، بازسازی شده در نقطه تابش پرتو، در یک صفحه قرار دارند. صفحه وقوع ). زاویه انعکاس γ برابر با زاویه تابش α است.

قانون شکست نور : پرتوهای فرورفته و شکسته و همچنین عمود بر سطح مشترک بین دو محیط، بازسازی شده در نقطه تابش پرتو، در یک صفحه قرار دارند. نسبت سینوس زاویه تابش α به سینوس زاویه شکست β یک مقدار ثابت برای دو محیط معین است:

قانون شکست توسط دانشمند هلندی دبلیو اسنلیوس در سال 1621 ایجاد شد.

مقدار ثابت nتماس گرفت ضریب شکست نسبی محیط دوم نسبت به محیط اول ضریب شکست یک محیط نسبت به خلاء نامیده می شود ضریب شکست مطلق .

ضریب شکست نسبی دو محیط برابر است با نسبت ضریب شکست مطلق آنها:

n = n 2 / n 1 . (2)

قوانین بازتاب و شکست در فیزیک موج توضیح داده شده است. بر اساس مفاهیم موج، شکست نتیجه تغییر در سرعت انتشار امواج در هنگام عبور از یک محیط به رسانه دیگر است. معنای فیزیکی ضریب شکست نسبت سرعت انتشار امواج در محیط اول υ 1 به سرعت انتشار آنها در محیط دوم υ 2 است:

ضریب شکست مطلق برابر است با نسبت سرعت نور جدر خلاء به سرعت نور υ در محیط:

شکل 1 قوانین بازتاب و شکست نور را نشان می دهد.

محیطی با ضریب شکست مطلق کمتر از نظر نوری چگالی کمتر نامیده می شود.

هنگامی که نور از یک محیط نوری متراکم تر به یک محیط نوری با چگالی کمتر عبور می کند n 2 < n 1 (مثلاً از شیشه به هوا) این پدیده را می توان مشاهده کرد بازتاب کامل یعنی ناپدید شدن پرتو شکسته. این پدیده در زوایای فرود بیش از یک زاویه بحرانی خاص α pr مشاهده می شود که به آن می گویند زاویه محدود کننده بازتاب داخلی کل (شکل 2 را ببینید).

برای زاویه تابش α = α pr sin β = 1; مقدار sin α pr = n 2 / n 1 < 1.

اگر رسانه دوم هوا باشد ( n 2 ≈ 1)، سپس راحت است که فرمول را در فرم بازنویسی کنید

sin α pr = 1 / n, (5)

جایی که n = n 1 > 1 - ضریب شکست مطلق محیط اول.

برای رابط شیشه و هوا ( n= 1.5) زاویه بحرانی α pr = 42 درجه است، برای رابط آب و هوا ( n= 1.33) α pr = 48.7 درجه.

پدیده بازتاب داخلی کامل در بسیاری از دستگاه های نوری استفاده می شود. جالب ترین و از نظر عملی مهم ترین برنامه ایجاد است راهنمای نور فیبر رزوه های نازک (از چند میکرومتر تا میلی متر) با انحنای دلخواه ساخته شده از مواد شفاف نوری (شیشه، کوارتز). فرود نور در انتهای راهنمای نور می تواند در امتداد آن در فواصل طولانی به دلیل بازتاب کلی داخلی از سطوح جانبی حرکت کند. (شکل 3).جهت علمی و فنی مربوط به توسعه و کاربرد فیبرهای نوری نامیده می شود فیبرهای نوری .