光栅衍射的观测
研究光栅衍射现象不仅有助于加深对光的波动性的理解,也有助于进一步学习近代光学实验技术。光栅是根据多缝衍射原理制成的分光器件,由它能获得明亮、细窄的匀排光谱,而且具有较高的分辨本领,故常用于光谱分析和精确测量光的波长。
[实验目的]
(1)观察透射光栅的衍射现象,了解透射光栅的主要特性。
(2)进一步熟悉分光计的调节和使用。
(3)测定光栅常数、光的波长及光栅色散率。
[实验仪器]
分光计、汞灯、透射光栅、平行平面镜。
[实验原理]
光栅有透射光栅和反射光栅两种,透射光栅是平行、等宽、等间距,且排列紧密的一组狭缝。
根据夫琅和费衍射理论,当单色平行光垂直投射到缝宽为a、间距为b的光栅上时(见图34-1),则光被衍射后,产生衍射亮条纹的条件为:
dsin=kλ(k=0,±1,±2……)(34—1)
图34-1
此式称为光栅方程。其中为衍射角,d=a+b称为光栅常数,k是光谱级数。如用会聚透镜把这些衍射后的平行光会聚起来,在透镜焦平面上便出现谱线。如图34-1所示,k为k级谱线的衍射角,在k=0, k=0的方向上为零级谱线(中央明纹),其他各级谱线对称地分布于中央明纹的两侧。
当用复色平行光照射光栅时,由式(34-1)可知,同一级谱线对不同波长有不同的衍射角,因而不同波长的谱线出现在不同地方,这些谱线的总和称为光谱。图34-2为汞灯的光谱示意图。
由光栅方程可知,若已知入射光的波长为λ,由实验测得k级谱线的衍射角为k,便可求得光栅常数d;若已知d,测得k级谱线的衍射角k,便可算出入射光的波长λ。
图34-2
光栅性能的主要标志之一是角色散率,它定义为同一级两谱线衍射角之差与它们的波长差之比。将光栅方程两边微分即得角色散率
(34—2)
D是光栅的重要参数,它表示对于某一级(k级)光谱,每增加单位波长时衍射角的增加量,角色散率愈大,光谱展得越开。由式(34-2)可知:光栅常数d愈小光谱级数k愈高,则角色散率愈大。
[思考题]
,各量的意义是什么?这公式适用的条件是什么?本实验是如何满足上述条件的?
,但其刻线与分光计中心轴不平行,那整个光谱有什么异常?对测量结果有何影响?
、太窄时会出现什么现象?为什么?
?
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