Механика

Дифракционная решетка

Для изучения спектров в современных спектроскопах применяют дифракционную решетку. Бывают решетки с очень большим числом щелей. Эти щели образуются путем нанесения штрихов на стеклянные пластинки. Бывают и отражательные решетки, когда штрихи нанесены на зеркальную поверхность металла. Не редкость решетки, у которых на 1 мм нанесено более тысячи штрихов. Штрихи наносят с помощью специальных машин.

Места, где свет, рассеянный решеткой, собирается в максимумы, определяются формулой d*sinф=m*лямбда В этой формуле т - целое число. Чем меньше расстояние d между соседними штрихами, тем больше разница между углами отклонений лучей света с разной длиной волны. Когда т = 0, угол отклонения луча с любой длиной волны одинаков и равен нулю. Поэтому в направлении ф = 0 получается белая полоса — смесь излучений с разными длинами волн. Зато начиная с т = 1 на экране появляются цветные полосы. Это спектр первого порядка.

Чтобы понять, как это получается, посмотрим вначале, что происходит со светом, падающим на щель D, размеры которой одного порядка с длиной световой волны (рис. 15). Разобьем мысленно щель на ряд полосок одинаковой площади. Если на щель падает параллельный пучок монохроматического света, то каждую полоску можно условно считать как бы независимым источником световых воли. Световые колебания такой полоски можно записать формулой:

Здесь Т — период колебаний световой волны, а — амплитуда колебаний. Так как мы выбрали все полоски одинаковой площади, то их амплитуды также одинаковы. Линза, установленная за щелью, сводит всякий параллельный пучок света в одну точку. Положение этой точки определяется углом ф. Когда угол ф равен нулю, то все лучи приходят в точку B₀. В случае какого-то произвольного угла ф лучи придут в точку B_ф. В точке B_ф волны могут ослабляться или усиливаться. Так, когда b*sin ф = лямбда, свет в точке B_ф будет ослаблен. Значения же угла ф = 0; тогда

соответствуют максимумам света.

В местах экрана АА, соответствующих этим углам, лягут световые полосы. С увеличением ф яркость полос быстро убывает. Чередование темных и светлых полос на экране, помещенном в фокальной плоскости линзы, физики называют дифракционной картиной.

Если теперь перед источником света поставить экран с двумя щелями, то появится совсем новая дифракционная картина. Она вовсе не будет простым наложением двух дифракционных картин от каждой щели. В ней существенным образом скажется взаимодействие волн, распространяющихся из обеих щелей. Казалось бы, нельзя придумать прибора проще, чем две небольшие щелки, но такие щели помогли ученым решить многие важные проблемы.

Существуют решетки, с помощью которых можно измерить длину волны с точностью до шестого десятичного знака. Первая решетка была изготовлена И. Фраунгофером. Она послужила ему для изучения темных линий в солнечном спектре. Позднее эти линии были названы по имени их открывателя и исследователя фраунгоферовыми.