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1、第十五章 光的衍射,(diffraction of light),15-1 光的衍射现象 惠更斯-菲涅耳原理 15-2 单缝衍射与圆孔衍射 15-3 光学仪器分辨本领 15-4 光栅衍射 15-5 X射线衍射,15-1 光的衍射现象,(phenomena of diffraction of light and Huygens-Fresnel priciple),惠更斯-菲涅耳原理,1.光的衍射现象,光在传播过程中遇到小孔、狭缝或障碍物时能改变其直线传播的特性而绕过小孔、狭缝或障碍物的现象。,条件：衍射物的尺寸不比光的波长大得多。,2.惠更斯-菲涅耳原理,光的衍射的实质：,波传播到各点，都可以视
2、为发射子波的波源。从各点发出子波，在空间相遇时，也可相互迭加而产生干涉现象,多光束干涉,3.菲涅尔衍射与夫琅和费衍射,菲涅尔衍射,夫琅和费衍射,15-2 单缝衍射与圆孔衍射,(single-slit diffraction and circular-hole diffraction),任意P点的光强决定于由狭缝上各点发出的沿CP方向传播的各平行光经衍射透镜汇聚后在该点迭加的结果。,1.1 条纹的形成,1.单缝夫琅和费衍射,P,f,O,x,C,A,B,(a),(b),1.2 衍射图样,1）O: 0零级明纹中心,半波带法：,振动矢量法：,讨论：,结论：,1）明暗条件,2）衍射图样,以O为对称，相互
3、平行、明暗相间的条纹。各级明纹亮度不一，级数越大，亮度越小。,3）条纹宽度,考 思 题,单缝夫琅和费衍射的装置中,若上下微小移动狭缝，衍射图样如何变化？若上下微小移动衍射透镜，衍射图样又如何变化？,由圆孔上各点发出的沿CP方向传播的各平行光经衍射透镜汇聚后在P点的迭加。,2.1 条纹的形成,2圆孔夫琅和费衍射,2.2 衍射图样,中心明斑（爱利斑），两边明暗相间的同心圆。,(b),爱利斑半张角：,15-3 光学仪器的分辨本领,(resolving power of optical instrument),1.几何光学与波动光学,圆孔衍射,几何光学:,形成像S,波动光学:,形成圆孔衍射图样,一般成
4、象系统,几何光学:,形成像S,波动光学:,形成衍射图样,几何光学是波动光学在衍射物尺寸远大于光的波长条件下的近似。,结论,2.光学仪器的分辨本领,2.1 瑞利判据,一个点光源的衍射图样的中心最亮处恰好与另一点光源的第一个最暗处重合时，则这两个点光源刚好能被这个光学仪器分辨。,刚能分辨,最小分辨角角分辨率,2.2 光学仪器的分辨本领,最小分辨角：,分辨率：,“哈勃”号太空望远镜是目前被送入轨道的口径最大的望远镜。它全长12.8米，镜筒直径4.27米，重11吨，由三大部分组成，第一部分是光学部分，第二部分是科学仪器，第三部分是辅助系统，包括两个长11.8米，宽2.3米，能提供2.4千瓦功率的太阳电
5、池帆板，两个与地面通讯用的抛物面天,“哈勃”号太空望远镜:,阿雷西博射电望远镜：世界上最大的单台射电望远镜，直径350米，设在中美洲波多黎各。,阿雷西博射电望远镜：,电子显微镜:,流行感冒病毒,乙肝病毒,人类X染色体和Y染色体,花粉,灯泡钨丝,光盘表面,电子显微镜下的影像,15-4 光栅衍射,(grating diffraction),1.1 实验装置,1条纹的形成,光栅参数：,缝宽：a,缝数：N,刻痕宽：b,光栅常数：d=a+b,1.2 条纹的形成,P点的光强由各狭缝上各点发出的沿CP方向传播的平行光经衍射透镜汇聚后在P点迭加的结果。,2.光强分布,单缝衍射：,2.光强分布,多缝干涉：,讨论
6、：,3.衍射图样,2）相邻两主极大之间有N-1个暗纹中心，N-2个次极大，次极大的亮度比主极大小得多。,3）各级主极大的亮度不一样，光强受到单缝衍射图样的调制。若P点的位置（由 决定）同时满足：,则位于P点的第k级主极大的亮度为零，该级主极大实际观察不到，称为缺级。,4光栅光谱与光栅的分辩本领,单色入射光：,复色入射光（连续）：,4.1 光栅光谱,入射光为复色光：（离散）,4.2 光栅的分辩本领,15-5 X射线衍射,(diffraction of x-ray),1X射线,1895年伦琴发现，波长为0.1nm数量级的电磁波。,X射线是内层电子能级跃迁而发出的辐射。,This is one of
7、 the most famous images in photographic history and propelled him within two more weeks into an international celebrity. The medical implications were immediately realised and the first images of fractured bones were being made by January 1896 even though none yet knew what the mystery rays were.,戒指
8、,The Nobel Prize in Physics 1901,“in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him“,Willhelm Konrad Rotgen (1845-1923),晶体内原子规则排列，原子间距与X射线波长数量级相当。当X射线入射到晶体上时被晶体中的原子散射，每一原子相当于一发射子波的波源，这些波源发出的相干子波在观察屏（照相底片）上相互叠加而产生衍射图样。,2.
9、劳厄的X射线衍射实验,晶体立体光栅,劳厄实验,3布拉格X射线衍射实验,1. 只有满足反射定律的方向上可以得到强度最强的衍射线,2. 相邻两个晶面反射的两条光干涉加强的条件为：,布拉格公式,4X射线的衍射的应用,光谱分析 晶体结构分析 ,DNA 分子的双螺旋结构,布拉格父子 Bragg，William Henryand Bragg，William Lawrence 英国物理学家。 因用X射线研究晶体内原子和分子结构的贡献，两人同获1915年诺贝尔物理学奖。他们的贡献导致后来晶体物理学的发展。 W.H.布拉格，1862年7月2日生于威格顿，1942年3月12日卒于伦敦。 W.L.布拉格 ，1890
10、 年3月31日生于澳大利亚阿德莱德，1971年7月1日卒于英格兰的伊普斯威奇。 1912年，W.L.布拉格在德国物理学家 M.von劳厄发现X射线通过晶体产生衍射的基础上， 进行了一系列实验，1913年提出布拉格公式。这个公式反映了射线的波长和晶面间距之间的定量关系 ，因而既可测定X 射线波长，又可作为探索晶体结构特征的有力工具。他还用他父亲设计的 X射线摄谱仪精确测出X射线的波长。 他们父子二人研究出晶体结构分析的方法。这就从理论及实验上证明了晶体结构的周期性和几何对称性，奠定了X射线谱学及X射线结构分析的基础，从而为深入研究物质内部结构开辟了可靠的途径。 布拉格父子与他人合作，研究了复杂晶
11、体结构，研究领域从无机物扩大到有机化合物、金属、合金以至生物学 ，从各方面推动了X射线光谱分析、 晶体学以至分子生物学的发展。,布喇格父子(W.H.Bragg, W.L.Bragg),父子诺贝尔物理学奖,布喇格父子(W.H.Bragg, W.L.Bragg),1937年诺贝尔物理学奖授予美国纽约州的贝尔电话实验室的戴维森(1881-1958)和英国伦敦大学的G .P .汤姆孙(1892-1975),以表彰他们用晶体对电子衍射所作的实验发现。,1906年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学的J.J.汤姆孙（1856-1940），以表彰他对气体导电的理论和实验所作的贡献。 J.J.汤姆孙对气体导电的理论
12、和实验研究最重要的结果是发现了电子。,汤姆孙父子(J.J. Thomon， G.P Thomon),玻尔父子(Niels Bohr ，Aage Bohr ),1922年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根的尼尔斯玻尔（Niels Bohr,1885-1962），以表彰他在研究原子结构,特别是研究从原子发出的辐射所作的贡献。,1975年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根尼尔斯.玻尔研究室的阿格.玻尔（Aage Bohr,1992- ）和美国纽约州哥伦比亚大学的雷恩沃特（L.James Rainwater,1917-1986）,以表彰他们发现了原子核中集体运动和粒子运动之间的关系以及在此基础上发展了原子核机
13、构的理论。,1924年诺贝尔物理学奖授予瑞典乌普沙拉(Uppsala)大学的卡尔西格班(Karl Manne Georg Siegbahn,1886-1978),以表彰他在X射线光谱学领域的发现与研究.,1981年诺贝尔物理学奖的一半授予马萨诸塞州坎伯利基哈福大学的布隆姆贝根（Nicolaas Bloembergen,1920- ）和美国加利福尼亚州斯坦福大学的肖洛（Arthur L.Schawlow,1921- ）,以表彰他们在发展激光光谱学所作的贡献；另一半授予瑞典乌普沙拉（Uppsala）大学的凯.西格班（Kai M.Siegbahn,1918- ）,以表彰他在高分辨率电子能谱学所作的贡献。,西格班父子(K. M. G. Siegbahn ， K. M.Siegbahn ),