一、光的衍射現(xiàn)象課件

一、光的衍射現(xiàn)象sa(1)直線傳播

幾何陰影區(qū)

幾何陰影區(qū)asE(2)發(fā)生衍射2-1光的衍射E

幾何陰影區(qū)

幾何陰影區(qū)一、光的衍射現(xiàn)象sa(1)直線傳播幾何陰影區(qū)幾何二、衍射的分類1、菲涅耳衍射（近場衍射)PSE依光源、障礙物和觀察屏三者位置關(guān)系二、衍射的分類1、菲涅耳衍射（近場衍射)PSE依光源、障礙物sE2、夫瑯和費衍射（遠(yuǎn)場衍射）來自無窮遠(yuǎn)射向無窮遠(yuǎn)sE2、夫瑯和費衍射（遠(yuǎn)場衍射）來自無窮遠(yuǎn)射向無窮遠(yuǎn)三、惠更斯--菲涅耳原理1、惠更斯原理從同一波面上各點發(fā)出的子波,在傳播到空間的某一點時,各個子波也可以互相疊加而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。子波干涉2、惠更斯--菲涅耳原理三、惠更斯--菲涅耳原理1、惠更斯原理從同一波面上各點發(fā)出的2-2單縫夫瑯和費衍射一、實驗裝置sE2-2單縫夫瑯和費衍射一、實驗裝置二、單縫衍射條紋的特點1、衍射條紋明暗相間，對稱分布在中央明紋兩側(cè)；3、明紋級次越高，光強越弱。2、中央明紋既亮又寬，為其它明紋寬度的兩倍;二、單縫衍射條紋的特點1、衍射條紋明暗相間，對稱分布在中央明三、衍射條紋特點分析1、菲涅耳半波帶ABABEaLfP2CO1三、衍射條紋特點分析1、菲涅耳半波帶ABABEaLfP2CO(2)暗紋（偶數(shù)個半波帶）(3)明紋中心（奇數(shù)個半波帶）2、衍射明暗紋條件分析(1)中央明區(qū)（零級明紋）思考:a、AC不等于半波長的整數(shù)倍時?b、明紋級次越高,光強越弱,怎么解釋?定性半定量研究方法(2)暗紋（偶數(shù)個半波帶）(3)明紋中心（奇數(shù)個半波帶）2、3、明紋寬度相鄰兩暗紋之間的距離(1)中央明紋寬度ABEOPaLfx3、明紋寬度相鄰兩暗紋之間的距離(1)中央明紋寬度ABEOP(2)其它明紋寬度中央明紋寬度(2)其它明紋寬度中央明紋寬度a、縫愈窄、波長愈長,衍射愈顯著;當(dāng)時,各級條紋都密集于中央明紋附近,只觀察到一條亮紋，即單縫的象。4、影響條紋分布的因素c、單縫上下平移，不影響條紋分布.b、白光入射時，除中央明紋為白色外，其它明紋均為彩色條紋.a、縫愈窄、波長愈長,衍射愈顯著;當(dāng)時,各級條紋艾里斑：艾里斑直徑2-3圓孔衍射光學(xué)儀器的分辨率一、夫瑯和費圓孔衍射

艾里斑：艾里斑直徑2-3圓孔衍射光學(xué)儀器的分辨率一、夫瑯當(dāng)單色平行光垂直照射到小圓孔上時在屏上產(chǎn)生明暗交替的圓環(huán)，中央為很亮的圓亮斑,叫做“艾里斑”。直徑為,對透鏡光心的張角為二、光學(xué)儀器的分辨率光學(xué)儀器中的透鏡、光闌相當(dāng)透光小圓孔.從幾何光學(xué)看:物體通過光學(xué)儀器成象時,每個物點對應(yīng)一個象點。當(dāng)單色平行光垂直照射到小圓孔上時在屏上產(chǎn)生明暗交替的圓環(huán)，中從波動光學(xué)看:光通過光學(xué)元件時，要發(fā)生衍射,物點的象是以象點為中心的有一定大小的艾里斑.光的衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)儀器的分辨率.設(shè)有兩個點光源經(jīng)透鏡后形成了兩個重疊的艾里斑,兩斑中心間距.一象點的第一暗紋恰與另一象點的中央亮紋最亮處重合時,兩物點恰能被光學(xué)儀器所分辨.1、瑞利判據(jù)

從波動光學(xué)看:光通過光學(xué)元件時，要發(fā)生衍射,物點的象是以象點二瑞利判據(jù)二瑞利判據(jù)2、最小分辨角此時最小分辨角的倒數(shù)。單位角度內(nèi)能分辨的點數(shù)。4、提高光學(xué)儀器分辨率的途徑：(1)增大透鏡孔徑3、光學(xué)儀器分辨率(2)采用短波長的光入射2、最小分辨角此時最小分辨角的倒數(shù)。單位角度內(nèi)能4、提高光學(xué)例:在正常照度下,人眼瞳孔的直徑為3人眼對綠光最敏感,其波長為550nm,人眼中玻璃液的折射率為n=1.336.求:(1)人眼的最小分辨角？(2)在教室的黑板上畫兩條平行線相距為2,坐在教室距黑板多遠(yuǎn)處的同學(xué)能看清它？則例:在正常照度下,人眼瞳孔的直徑為3人眼對綠光最敏感2-4光柵衍射一、光柵一種重要的光學(xué)器件。由不同光學(xué)性質(zhì)的各部分在空間周期性排列而組成。二、光柵衍射條紋的形成透射光柵:大量的等間距的平行狹縫組成的光學(xué)元件。baab2-4光柵衍射一、光柵一種重要的光學(xué)器件。由不同光學(xué)性質(zhì)的1、實驗裝置aba+bLEOP1、實驗裝置aba+bLEOP2、光柵衍射條紋特點：(1)主極大明條紋隨光柵縫數(shù)N的增大非常細(xì)亮．(2)相鄰主極大明條紋分得很開，其間是大片暗區(qū).(3)各主極大明條紋強度分布輪廓與單縫衍射強度分布曲線一樣.2、光柵衍射條紋特點：(1)主極大明條紋隨光柵縫數(shù)N的增大非定性分析雙縫衍射從圖中看出:雙縫衍射存在單縫衍射和多光束干涉的總效果。多縫衍射（光柵）

單縫衍射多光束干涉的總效果單縫衍射3、光柵衍射圖樣分析定性分析雙縫衍射從圖中看出:雙縫衍射存在單縫衍射和多光束干涉單縫衍射和多光束干涉的總效果單縫衍射和多光定量分析0p光柵方程(1)主極大明紋A.多光束干涉結(jié)果定量分析0p光柵方程(1)主極大明紋A.多光束干涉結(jié)果0p明紋坐標(biāo)值x最大衍射級次0p明紋坐標(biāo)值x最大衍射級次相鄰主極大明紋間距d—光柵常數(shù)結(jié)論：(1)主極大明條紋位置由縫間干涉決定;故(2)因為(3)相鄰兩級主極大的間距隨光柵常數(shù)的減小而增大。相鄰主極大明紋間距d—光柵常數(shù)結(jié)論：(1)主極大明條紋位置AB斜入射:p中央明紋:0AB斜入射:p中央明紋:0B、單縫衍射的調(diào)制(1)主極大光強受單縫衍射光強分布的調(diào)制;缺級——干涉極大、衍射極小的位置(2)缺級現(xiàn)象明紋不出現(xiàn)，發(fā)生缺級。B、單縫衍射的調(diào)制(1)主極大光強受單縫衍射光強分布的調(diào)制;三、衍射光譜1、光譜線:單色波經(jīng)光柵衍射后產(chǎn)生的一組細(xì)窄明亮的亮條紋。2、光柵光譜:波長不同的同級譜線集合起來構(gòu)成的一組譜線。白光的光柵光譜三、衍射光譜1、光譜線:單色波經(jīng)光柵衍射后產(chǎn)生的一組細(xì)窄明亮紅綠光的光柵光譜3、光柵光譜儀四、干涉與衍射的區(qū)別和聯(lián)系

在一般問題中，干涉和衍射兩者的作用是同時存在的。透射光柵分光計(已知a+b，測求)——光柵攝譜儀紅綠光的光柵光譜3、光柵光譜儀四、干涉與衍射的區(qū)別和聯(lián)系1、根本上講,本質(zhì)都是波的相干疊加的結(jié)果,只是參與相干疊加的對象不同；2、都是明暗相間的條紋,但在光強分布函數(shù)上有所不同；3、在處理問題的方法上,從物理角度看,考慮疊加時的中心問題都是位相差;從數(shù)學(xué)角度看,存在差別。

總之,干涉和衍射本質(zhì)上統(tǒng)一、在形成條件、分布規(guī)律上有異,數(shù)學(xué)處理方法也略有不同,是緊密關(guān)聯(lián)的同一類現(xiàn)象。1、根本上講,本質(zhì)都是波的相干疊加的結(jié)果,只是參與相干疊加的2-5X射線的衍射一、X射線1895年X射線由德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn),它是一種電磁波,波長在0.4A-10A范圍。二、X射線的衍射1912年,德國物理學(xué)家勞厄用單晶片作為衍射物觀察X射線的衍射現(xiàn)象,在照相底片上得到一系列感光斑點—勞厄斑點.1.X射線衍射的實驗裝置X射線冷卻水<2-5X射線的衍射一、X射線1895年X射線由德國物理學(xué)勞厄斑點鉛板單晶片

照像底片

單晶片的衍射1912年勞厄?qū)嶒瀯诙虬唿c鉛板單晶片照像底片單晶片的衍射

1913年英國布拉格父子提出了一種解釋Ｘ射線衍射的方法，給出了定量結(jié)果，并于1915年榮獲物理學(xué)諾貝爾獎.布拉格反射入射波散射波1913年英國布拉格父子提出了一種解釋Ｘ射線掠射角晶格常數(shù)

相鄰兩個晶面反射的兩X射線干涉加強的條件

布拉格公式布拉格反射入射波散射波掠射角晶格常數(shù)相鄰兩個晶面反射的兩X射線干涉

用途測量射線的波長研究X射線譜，進(jìn)而研究原子結(jié)構(gòu)；研究晶體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究材料性能.例如對大分子DNA

晶體的成千張的X射線衍射照片的分析，顯示出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu).

布拉格公式用途測量射線的波長研究X射線譜，進(jìn)而研究原子結(jié)構(gòu)DNA

晶體的X衍射照片DNA

分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)

DNA晶體的DNA分子的一、光的衍射現(xiàn)象sa(1)直線傳播

幾何陰影區(qū)

幾何陰影區(qū)asE(2)發(fā)生衍射2-1光的衍射E

幾何陰影區(qū)

幾何陰影區(qū)一、光的衍射現(xiàn)象sa(1)直線傳播幾何陰影區(qū)幾何二、衍射的分類1、菲涅耳衍射（近場衍射)PSE依光源、障礙物和觀察屏三者位置關(guān)系二、衍射的分類1、菲涅耳衍射（近場衍射)PSE依光源、障礙物sE2、夫瑯和費衍射（遠(yuǎn)場衍射）來自無窮遠(yuǎn)射向無窮遠(yuǎn)sE2、夫瑯和費衍射（遠(yuǎn)場衍射）來自無窮遠(yuǎn)射向無窮遠(yuǎn)三、惠更斯--菲涅耳原理1、惠更斯原理從同一波面上各點發(fā)出的子波,在傳播到空間的某一點時,各個子波也可以互相疊加而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。子波干涉2、惠更斯--菲涅耳原理三、惠更斯--菲涅耳原理1、惠更斯原理從同一波面上各點發(fā)出的2-2單縫夫瑯和費衍射一、實驗裝置sE2-2單縫夫瑯和費衍射一、實驗裝置二、單縫衍射條紋的特點1、衍射條紋明暗相間，對稱分布在中央明紋兩側(cè)；3、明紋級次越高，光強越弱。2、中央明紋既亮又寬，為其它明紋寬度的兩倍;二、單縫衍射條紋的特點1、衍射條紋明暗相間，對稱分布在中央明三、衍射條紋特點分析1、菲涅耳半波帶ABABEaLfP2CO1三、衍射條紋特點分析1、菲涅耳半波帶ABABEaLfP2CO(2)暗紋（偶數(shù)個半波帶）(3)明紋中心（奇數(shù)個半波帶）2、衍射明暗紋條件分析(1)中央明區(qū)（零級明紋）思考:a、AC不等于半波長的整數(shù)倍時?b、明紋級次越高,光強越弱,怎么解釋?定性半定量研究方法(2)暗紋（偶數(shù)個半波帶）(3)明紋中心（奇數(shù)個半波帶）2、3、明紋寬度相鄰兩暗紋之間的距離(1)中央明紋寬度ABEOPaLfx3、明紋寬度相鄰兩暗紋之間的距離(1)中央明紋寬度ABEOP(2)其它明紋寬度中央明紋寬度(2)其它明紋寬度中央明紋寬度a、縫愈窄、波長愈長,衍射愈顯著;當(dāng)時,各級條紋都密集于中央明紋附近,只觀察到一條亮紋，即單縫的象。4、影響條紋分布的因素c、單縫上下平移，不影響條紋分布.b、白光入射時，除中央明紋為白色外，其它明紋均為彩色條紋.a、縫愈窄、波長愈長,衍射愈顯著;當(dāng)時,各級條紋艾里斑：艾里斑直徑2-3圓孔衍射光學(xué)儀器的分辨率一、夫瑯和費圓孔衍射

艾里斑：艾里斑直徑2-3圓孔衍射光學(xué)儀器的分辨率一、夫瑯當(dāng)單色平行光垂直照射到小圓孔上時在屏上產(chǎn)生明暗交替的圓環(huán)，中央為很亮的圓亮斑,叫做“艾里斑”。直徑為,對透鏡光心的張角為二、光學(xué)儀器的分辨率光學(xué)儀器中的透鏡、光闌相當(dāng)透光小圓孔.從幾何光學(xué)看:物體通過光學(xué)儀器成象時,每個物點對應(yīng)一個象點。當(dāng)單色平行光垂直照射到小圓孔上時在屏上產(chǎn)生明暗交替的圓環(huán)，中從波動光學(xué)看:光通過光學(xué)元件時，要發(fā)生衍射,物點的象是以象點為中心的有一定大小的艾里斑.光的衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)儀器的分辨率.設(shè)有兩個點光源經(jīng)透鏡后形成了兩個重疊的艾里斑,兩斑中心間距.一象點的第一暗紋恰與另一象點的中央亮紋最亮處重合時,兩物點恰能被光學(xué)儀器所分辨.1、瑞利判據(jù)

從波動光學(xué)看:光通過光學(xué)元件時，要發(fā)生衍射,物點的象是以象點二瑞利判據(jù)二瑞利判據(jù)2、最小分辨角此時最小分辨角的倒數(shù)。單位角度內(nèi)能分辨的點數(shù)。4、提高光學(xué)儀器分辨率的途徑：(1)增大透鏡孔徑3、光學(xué)儀器分辨率(2)采用短波長的光入射2、最小分辨角此時最小分辨角的倒數(shù)。單位角度內(nèi)能4、提高光學(xué)例:在正常照度下,人眼瞳孔的直徑為3人眼對綠光最敏感,其波長為550nm,人眼中玻璃液的折射率為n=1.336.求:(1)人眼的最小分辨角？(2)在教室的黑板上畫兩條平行線相距為2,坐在教室距黑板多遠(yuǎn)處的同學(xué)能看清它？則例:在正常照度下,人眼瞳孔的直徑為3人眼對綠光最敏感2-4光柵衍射一、光柵一種重要的光學(xué)器件。由不同光學(xué)性質(zhì)的各部分在空間周期性排列而組成。二、光柵衍射條紋的形成透射光柵:大量的等間距的平行狹縫組成的光學(xué)元件。baab2-4光柵衍射一、光柵一種重要的光學(xué)器件。由不同光學(xué)性質(zhì)的1、實驗裝置aba+bLEOP1、實驗裝置aba+bLEOP2、光柵衍射條紋特點：(1)主極大明條紋隨光柵縫數(shù)N的增大非常細(xì)亮．(2)相鄰主極大明條紋分得很開，其間是大片暗區(qū).(3)各主極大明條紋強度分布輪廓與單縫衍射強度分布曲線一樣.2、光柵衍射條紋特點：(1)主極大明條紋隨光柵縫數(shù)N的增大非定性分析雙縫衍射從圖中看出:雙縫衍射存在單縫衍射和多光束干涉的總效果。多縫衍射（光柵）

單縫衍射多光束干涉的總效果單縫衍射3、光柵衍射圖樣分析定性分析雙縫衍射從圖中看出:雙縫衍射存在單縫衍射和多光束干涉單縫衍射和多光束干涉的總效果單縫衍射和多光定量分析0p光柵方程(1)主極大明紋A.多光束干涉結(jié)果定量分析0p光柵方程(1)主極大明紋A.多光束干涉結(jié)果0p明紋坐標(biāo)值x最大衍射級次0p明紋坐標(biāo)值x最大衍射級次相鄰主極大明紋間距d—光柵常數(shù)結(jié)論：(1)主極大明條紋位置由縫間干涉決定;故(2)因為(3)相鄰兩級主極大的間距隨光柵常數(shù)的減小而增大。相鄰主極大明紋間距d—光柵常數(shù)結(jié)論：(1)主極大明條紋位置AB斜入射:p中央明紋:0AB斜入射:p中央明紋:0B、單縫衍射的調(diào)制(1)主極大光強受單縫衍射光強分布的調(diào)制;缺級——干涉極大、衍射極小的位置(2)缺級現(xiàn)象明紋不出現(xiàn)，發(fā)生缺級。B、單縫衍射的調(diào)制(1)主極大光強受單縫衍射光強分布的調(diào)制;三、衍射光譜1、光譜線:單色波經(jīng)光柵衍射后產(chǎn)生的一組細(xì)窄明亮的亮條紋。2、光柵光譜:波長不同的同級譜線集合起來構(gòu)成的一組譜線。白光的光柵光譜三、衍射光譜1、光譜線:單色波經(jīng)光柵衍射后產(chǎn)生的一組細(xì)窄明亮紅綠光的光柵光譜3、光柵光譜儀四、干涉與衍射的區(qū)別和聯(lián)系

在一般問題中，干涉和衍射兩者的作用是同時存在的。透射光柵分光計(已知a+b，測求)——光柵攝譜儀紅綠光的光柵光譜3、光柵光譜儀四、干涉與衍射的區(qū)別和聯(lián)系1、根本上講,本質(zhì)都是波的相干疊加的結(jié)果,只是參與相干疊加的對象不同；2、都是明暗相間的條紋,但在光強分布函數(shù)上有所不同；3、在處理問題的方法上,從物理角度看,考慮疊加時的中心問題都是位相差;從數(shù)學(xué)角度看,存在差別。

總之,干涉和衍射本質(zhì)上統(tǒng)一、在形成條件、分布規(guī)律