Chương 5 Nhiễu xạ ánh sáng

GIÁO TRÌNH VẬT LÝ 2 Những ví dụ về nhiễu xạ ánh sáng Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Chúng ta nhìn thấy nhiều màu sắc sặc sỡ trên bề mặt đĩa CD dưới ánh sáng Mặt Trời.  Khi nhìn vào một ngọn đèn ở xa ta thấy ánh đèn bị “loé” như hình sao. Những thí nghiệm về nhiễu xạ ánh sáng Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Chiếu một chùm sáng song song qua một khe hẹp Những thí nghiệm về nhiễu xạ ánh sáng Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Chiếu một chùm sáng song song qua một lỗ tròn nhỏ Nhiễu xạ ánh sáng Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi qua các lỗ nhỏ, khe hẹp, mép các vật chắn sáng.  Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng thể hiện bản chất sóng của ánh sáng. Nhiễu xạ là một hiện tượng đặc trưng của sóng. Nguyên lý Huygen - Fresnel Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng Bất kỳ điểm sáng nào mà ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó. Biên độ và pha ban đầu của nguồn sáng thứ cấp này là biên độ và pha ban đầu của dao động sáng do nguồn sáng thực gây ra tại đó. Nguồn sáng thực Điểm nhận ánh sáng, trở thành ngồn sáng thứ cấp Nhiễu xạ sóng cầu (Nhiễu xạ Fresnel) Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng O M  O Ou a cos t   (S) (dS) 1 (dS) (dS) 2 L u a cos t          1 2 (dS M) (dS ) 2 L 2 L u a cos t               M (dS M) dS u u   Phương pháp đới cầu Fresnel Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng (0) b (k-1)  b k 1 2         (k) b k 2        MO (S) R Phương pháp đới cầu Fresnel Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng Rb S R b      k Rb r k R b     Phương pháp đới cầu Fresnel Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng Dao động sáng của các đới cầu gây ra tại M 1M 1 OM 2M 2 OM 3M 3 OM 2 u a cos t L 2 u a cos t L 2 u a cos t L 2 . . .                                M 1M 2M 3M u u u u ...    M M OM 2 u a cos t L          M 1 2 3 a a a a ...    Phương pháp đới cầu Fresnel Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng Biên độ dao động sáng thành phần gây ra tại M 1 2 3 a a a ...   M 1 n 1 1 a a a 2 2    k k 1 k 1 1 a a a 2     Biên độ dao động sáng tại M M 1 2 3 n a a a a ... a      Trong công thức trên, lấy dấu “-” nếu n chẵn, dấu “+” nếu n lẻ Nhiễu xạ Fresnel qua lỗ tròn Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng MO (k) (S) M 1 2 3 k a a a a ... a      M 1 k 1 a a a 2   lấy dấu “-” nếu k chẵn lấy dấu “+” nếu k lẻ k r r Nhiễu xạ Fresnel qua màn chắn tròn Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng MO (k) (S) M k 1 k 2 a a a ...      M k 1 1 a a 2   k r r Phương pháp cộng véc tơ biên độ Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng k 1 1 a k 2 1 a 2 a M 1 a a M 1 2a a a 0   k  M 1 1 a a 2  Nhiễu xạ sóng phẳng qua một khe hẹp (Fraunhofer) Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng M  Phương pháp chia đới Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  (1) (2)b  2 1L L L bsin 2           b 2sin      2bsinb n b        n 2k sin k b        1 n 2k 1 sin k 2 b             Kết quả tính toán Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng 0     sin k ; k 0 b     Cực đại chính giữa Cực tiểu nhiễu xạ     1 sin k ; k 0, 1 2 b            Cực đại hai bên Hình ảnh phân bố cường độ sáng Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  sin  b  2 b  3 b 3 b   2 b   b   0 0,045I Phương pháp cộng véc tơ biên độ Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng 2 M 0 M 0 0; a a ; I a   M 0 a a   M Mn 2; sin ; a 0; I 0b         0M M 02 2a3 4 n 3; sin ; a ; I I 2 b 3 9          M a Nhiễu xạ sóng phẳng qua một hệ N khe hẹp (cách tử) Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng M  Nhiễu xạ sóng phẳng qua một hệ N khe hẹp (cách tử) Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Đối với mỗi khe hẹp hiện tượng xảy ra tương tự như trường hợp nhiễu xạ qua một khe hẹp.  Tại vị trí có:    sin k ; k 0 b     tất cả các khe sáng đều cho cực tiểu (cường độ bằng 0), do đó tại đây có cường độ bằng 0, được gọi là cực tiểu chính của nhiễu xạ. Nhiễu xạ sóng phẳng qua một hệ N khe hẹp (cách tử) Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Tuy nhiên, trong trường hợp này ta chú ý tới sự tổng hợp sóng đến từ các nguồn khác nhau với nhau (giao thoa).  Xét sự giao thoa của 2 nguồn liên tiếp:  L dsin    d  sin k d     Vị trí cực đại giao thoa: Nhiễu xạ sóng phẳng qua một hệ N khe hẹp (cách tử) Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Còn xảy ra giao thoa của các khe cách nhau 2d, 3d, 4d, … Vị trí các cực đại tương ứng được xác định:  sin k 2d     sin k 3d     sin k 4d    Nhiễu xạ sóng phẳng qua một hệ N khe hẹp (cách tử) Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Vị trí cực tiểu chính:    sin k k 0 b      Vị trí cực đại chính:  sin k d     Giữa hai cực đại chính có (N-1) cực tiểu phụ và (N-2) cực đại phụ Cách tử nhiễu xạ Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Cách tử nhiễu xạ là hệ thống gồm N khe hẹp giống nhau, song song và cách đều nhau và nằm trên cùng một mặt phẳng (còn gọi là cách tử phẳng).  Có 2 loại: cách tử phản xạ và các tử truyền qua.  Khoảng cách d giữa hai khe hẹp được gọi là chu kỳ của cách tử. Số vạch trên một đơn vị chiều dài là thông số đặc trưng của cách tử (N=1/d). Nhiễu xạ tinh thể Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Trong các chất kết tinh, nguyên tử (hoặc ion) được sắp xếp có trật tự tuần hoàn trong không gian tạo thành mạng tinh thể.  Mạng tinh thể có các lớp gọi là mặt phẳng mạng, khoảng cách d giữa hai mặt phẳng mạng liên tiếp được gọi là chu kỳ của mạng tinh thể hay hằng số mạng.  Sóng tán xạ trên các lớp liên tiếp tạo thành nhiễu xạ tinh thể. Nhiễu xạ tinh thể Vật lý 2 \ Chương 5 – Nhiễu xạ ánh sáng  Hai tia sáng tán xạ trên hai mặt phẳng mạng liên tiếp có hiệu quang lộ:  L 2d.sin    Cực đại nhiễu xạ được xác định L k     sin k 2d     Nhiễu xạ tinh thể là một phương pháp mạnh trong trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể.