圆孔衍射、X射线衍射、偏正光

1、1、实验装置、实验装置S*由第一暗环围成的光由第一暗环围成的光斑称为斑称为。爱里斑爱里斑一、圆孔夫琅和费衍射一、圆孔夫琅和费衍射10-3 圆孔衍射圆孔衍射2 2、圆孔衍射光强分布、圆孔衍射光强分布第一级暗环的衍射角满足：（半角宽度）第一级暗环的衍射角满足：（半角宽度）sin1=1.22D0.61R=0IRRR0.6101.6191.116sin爱里斑占整个爱里斑占整个入射光束总光入射光束总光强的强的84%几何光学几何光学 : : 物点物点 象点象点物物( (物点集合物点集合) ) 象象( (象点集合象点集合) )( (经透镜经透镜) )波动光学波动光学 : :物点物点 象斑象斑物物( (物点集

2、合物点集合) ) 象象( (象斑集合象斑集合) )( (经透镜经透镜) )距离很近的两个物点的象斑有可能重叠，从而分辨不清。距离很近的两个物点的象斑有可能重叠，从而分辨不清。 在光学成象问题中，有两种讨论方法：在光学成象问题中，有两种讨论方法：圆孔的夫琅禾费衍射圆孔的夫琅禾费衍射二、光学仪器的分辨率二、光学仪器的分辨率 点光源经过光学仪器的小圆孔后，由于衍射的影响，点光源经过光学仪器的小圆孔后，由于衍射的影响，所成的象不是一个点而是一个明暗相间的圆形光斑。中央所成的象不是一个点而是一个明暗相间的圆形光斑。中央最亮的亮斑即为最亮的亮斑即为爱里斑爱里斑。s1s2D*爱里斑爱里斑1、瑞利判据、瑞利判

3、据：如果一个点光源的衍射图象的中央最亮处：如果一个点光源的衍射图象的中央最亮处刚好与另一个点光源的衍射图象第一个最暗处相重合，认刚好与另一个点光源的衍射图象第一个最暗处相重合，认为这两个点光源恰好能为这一光学仪器所分辨。为这两个点光源恰好能为这一光学仪器所分辨。恰恰能能分分辨辨不不能能分分辨辨能能分分辨辨s1s2D*圆孔衍射的第一级极小值由下式给出：圆孔衍射的第一级极小值由下式给出：最小分辨角为：最小分辨角为： 在恰能分辨时，两个点光源在透镜前所张的角度，称在恰能分辨时，两个点光源在透镜前所张的角度，称为最小分辨角为最小分辨角 。D22. 1sin11D22. 1sin1光学仪器分辨率光学仪器

4、分辨率提高分辨率途径提高分辨率途径 ,D D 22111由瑞利准则，最小分辨角：由瑞利准则，最小分辨角：D 221 定义光学仪器定义光学仪器分辨率分辨率为：为：光学镜头直径越大，分辨率越高。光学镜头直径越大，分辨率越高。 一般天文望远镜的口径都很大，世界上最大的天一般天文望远镜的口径都很大，世界上最大的天文望远镜在智利，直径文望远镜在智利，直径1616米。米。美国最大的望远镜直径为美国最大的望远镜直径为200英寸，在帕洛玛山。英寸，在帕洛玛山。哈勃望远镜可看到哈勃望远镜可看到“可测可测”宇宙中宇宙中9797的天体。的天体。地面观测地面观测用哈勃望远镜观测用哈勃望远镜观测哈勃望远镜观察哈勃望远镜

5、观察到新星的诞生到新星的诞生采用波长较短的光，也可提高分辨率。采用波长较短的光，也可提高分辨率。 电子显微镜用加速的电子束代替光束，其波长约电子显微镜用加速的电子束代替光束，其波长约 0.1nm， 可以可以用它来观察分子结构。用它来观察分子结构。光学显微镜光学显微镜 0.2 0.2 m m电子显微镜电子显微镜 A1扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜oA010分辨率比较：分辨率比较：电子显微镜拍摄的物质结构照片电子显微镜拍摄的物质结构照片硅表面硅原子的排列硅表面硅原子的排列砷化镓表面砷原子砷化镓表面砷原子的排列的排列碘原子在铂晶体上的吸附碘原子在铂晶体上的吸附扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜拍摄的照片拍摄

6、的照片衍射条纹是明暗相间同心圆环衍射条纹是明暗相间同心圆环中央亮纹：爱里斑中央亮纹：爱里斑集中大部分能量集中大部分能量角宽度为其余明纹角宽度为其余明纹2 2倍倍半角宽度：半角宽度：D 22. 1小结：小结：圆孔夫琅和费衍射圆孔夫琅和费衍射瑞利准则：瑞利准则：第一个象的爱里斑边沿与第二个象的第一个象的爱里斑边沿与第二个象的爱里斑中心重合爱里斑中心重合恰能分辨恰能分辨 D 22111最小分辨角：最小分辨角：D 221 分辨率：分辨率： 例题例题 通常亮度下通常亮度下, 人眼瞳孔的直径人眼瞳孔的直径D=3mm，同，同学们最多坐多远，才不会把黑板上写的相距学们最多坐多远，才不会把黑板上写的相距1cm的

7、等的等号号“=”号看成是减号号看成是减号“-”？图20-37人眼人眼dL等号等号 解解 只需只需“=”号对人眼号对人眼所张的角所张的角 最小分辩角就行。最小分辩角就行。 由图由图15-20可知可知DdL22. 1取取 =5500，有，有1102 . 222. 14radDdL(人眼的最人眼的最小分辩角小分辩角)由上式算得：由上式算得：d =45.5m。 15.4 15.4 光的夫琅和费衍射（续）光的夫琅和费衍射（续）一一. 单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射二二. 圆孔夫琅和费衍射圆孔夫琅和费衍射三三. 光栅夫琅和费衍射光栅夫琅和费衍射四四. . 晶格衍射（晶格衍射（X光衍射）光衍射） 1895

8、年年11月月8日日德国物理学家德国物理学家伦琴在阴极射线实验中，偶然伦琴在阴极射线实验中，偶然发现附近桌上的荧光屏上发出发现附近桌上的荧光屏上发出了光，伦琴用一张黑纸挡住管了光，伦琴用一张黑纸挡住管子，荧光仍存在，而用一片金子，荧光仍存在，而用一片金属板就挡住了，他称这种射线属板就挡住了，他称这种射线为为 X 射线。射线。伦琴（伦琴（1845184519231923） 18951895年年1212月月2828日：日：发表发表关于一种新射线关于一种新射线，引起，引起轰动，影响深远。轰动，影响深远。 1895年年12月月22日：日：伦琴拍摄伦琴拍摄历史历史上第一张上第一张X射线照片射线照片-他夫人

9、手他夫人手的照片（现在保存在慕尼黑德国的照片（现在保存在慕尼黑德国国家博物馆）。国家博物馆）。X射线特点：射线特点：不带电，穿透本领强。不带电，穿透本领强。许多科学家（史密斯、汤姆孙）都遇到过类似情况，但错过机遇。许多科学家（史密斯、汤姆孙）都遇到过类似情况，但错过机遇。在医学、工业技术中广泛应用。在医学、工业技术中广泛应用。导致放射性发现。导致放射性发现。打开晶体结构研究的大门。打开晶体结构研究的大门。由于由于X射线的发现具有重大射线的发现具有重大的理论意义和实用价值，伦的理论意义和实用价值，伦琴于琴于1901年获得首届诺贝尔年获得首届诺贝尔物理学奖。物理学奖。X 射线的射线的本质是什么？本

10、质是什么？科学史上的一场激烈论争。科学史上的一场激烈论争。1912年，德国年，德国慕尼黑大学慕尼黑大学物理学物理学讲师讲师劳厄完成判决性实验：劳厄完成判决性实验：用晶体作天然用晶体作天然光栅进行光栅进行X射线衍射实验射线衍射实验一箭双雕：一箭双雕：既证明了既证明了X射线的波动性，射线的波动性，又肯定了晶体空间点阵理论，又肯定了晶体空间点阵理论，荣获荣获1914年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。（1879-1960）X 射线射线本质：本质：原子内层电子跃迁或加速器中电子运动原子内层电子跃迁或加速器中电子运动产生的电磁波。产生的电磁波。nm)100104:(2 劳厄实验：劳厄实验：用晶体作天然光

11、栅进行用晶体作天然光栅进行X射线衍射射线衍射晶体点阵：其尺度可与晶体点阵：其尺度可与X射线波长相比拟射线波长相比拟晶体：三维结构空间立体光栅晶体：三维结构空间立体光栅X射线管射线管铅板铅板闪锌矿闪锌矿晶体晶体底片底片劳厄斑劳厄斑曝光数小时曝光数小时衍射斑强度同时与衍射斑强度同时与X射线能量和反射面的有效原子射线能量和反射面的有效原子密度有关。密度有关。英国物理学家英国物理学家亨利亨利. .布拉格（布拉格（1862186219421942），），劳伦斯劳伦斯. .布拉格（布拉格（189018901971 1971 ）父子获父子获19151915年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。 .3 , 2 ,

12、1sin2 kkd 晶格常数晶格常数: d掠射角掠射角理论解释：理论解释：布拉格公式布拉格公式X射线衍射射线衍射广泛应用于研究晶体结构，测晶格常数广泛应用于研究晶体结构，测晶格常数剑桥大学卡文迪许实验室：剑桥大学卡文迪许实验室：1871年建立，代代英才辈年建立，代代英才辈出（出（26位诺贝尔奖得主）位诺贝尔奖得主）麦克斯韦、瑞利：麦克斯韦、瑞利：奠定基础；奠定基础；汤姆孙，卢瑟福：汤姆孙，卢瑟福：开花结果（中子、人工核反应、电开花结果（中子、人工核反应、电离层发现离层发现）布拉格：布拉格：1937年继任，改变沿核物理单线发展趋向，年继任，改变沿核物理单线发展趋向，转向晶体结构分析和射电天文学，在此两个新兴领域转向晶体结构分析和射电天文学，在此两个新兴领域居世界领先地位，获许多诺贝尔物理、化学、生理医居世界领先地位，获许多诺贝尔物理、化学、生理医学奖。学奖。克里克，沃森：克里克，沃森：发现双螺旋结构，获诺贝尔奖发现双螺旋结构，获诺贝尔奖DNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现分子生物学诞生。分子生物学诞生。X射线衍射应用介绍：射线衍射应用介绍：DNA分子的双螺旋结构：分子的双螺旋结构：两股糖两股糖- -磷酸骨架盘绕，大部分为右旋的。由氢键