2021-2022学年高二物理竞赛课件：衍射规律的应用（18张PPT）.pptx

衍射规律的应用衍射规律的应用 12衍射规律的应用衍射规律的应用 一、光学系统分辨本领的分析一、光学系统分辨本领的分析 光的衍射现象告诉我们，光学系统对物点所成的像，光的衍射现象告诉我们，光学系统对物点所成的像，是具有一定大小的光斑，并且在其周围有亮暗交替是具有一定大小的光斑，并且在其周围有亮暗交替的环状衍射条纹。的环状衍射条纹。如果两个物点的距离很小，对应如果两个物点的距离很小，对应的光斑互相重叠，即使光学系统的放大率很高，所的光斑互相重叠，即使光学系统的放大率很高，所成的像对眼睛的张角很大，但仍然不能分辨它们成的像对眼睛的张角很大，但仍然不能分辨它们。光的衍射现象限制了光学系统的分辨能力！3光学仪器对点物成像光学仪器对点物成像是一个有一定大小的是一个有一定大小的艾里斑艾里斑一个透镜成像的光路一个透镜成像的光路可用两个透镜的作用可用两个透镜的作用来等效，如图所示：来等效，如图所示：点物点物A像像A L点物点物像像L2L1f2f1b 点物就相当于在透镜点物就相当于在透镜 L1 物方焦点处物方焦点处，经通光孔，经通光孔径径 b，进行夫琅禾费衍射，在透镜，进行夫琅禾费衍射，在透镜L2 的像方焦点处的像方焦点处形成的中央零级明斑中心。仅当通光孔径足够大时，形成的中央零级明斑中心。仅当通光孔径足够大时，（b）艾里斑才可能很小。）艾里斑才可能很小。4同上所述，点物同上所述，点物A和和A1 对透镜中心对透镜中心 O 所所张的角张的角 0 等于它们等于它们分别相应的中央零级分别相应的中央零级衍射中心衍射中心A、A1 对对O所张的角。所张的角。A1AA A1 LO当两个物点距离足当两个物点距离足够小时，就有能否够小时，就有能否分辨的问题。分辨的问题。A1 A A1AL2L1Af1f2O5瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物点物A1的艾里斑中心恰好与另一个点物的艾里斑中心恰好与另一个点物A2的艾里斑的艾里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。可分辨可分辨恰可分辨恰可分辨不可分辨不可分辨100%73.6%A1A2A1A2A1A26满足瑞利判据的两物点间的距离，就是光学仪器所满足瑞利判据的两物点间的距离，就是光学仪器所能分辨的最小距离。能分辨的最小距离。对透镜中心所张的角对透镜中心所张的角q q 0 称为称为 最最小分辨角小分辨角。0=1.22/D光学仪器中将最小分辨角的倒数称为仪器的光学仪器中将最小分辨角的倒数称为仪器的分辨本领分辨本领。二、二、X射线在晶体中的衍射射线在晶体中的衍射 X 射线射线AK高压高压1895年德国的伦琴发现年德国的伦琴发现X射线。射线。7原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为X 射线。射线。它是在高速它是在高速电子流子流轰击金属靶的金属靶的过程中程中产生的生的一种波一种波长极短的极短的电磁磁辐射射(将在将在16-5中介绍中介绍)。x射线的波长处于射线的波长处于10-3 10 nm的范的范围，由于它是，由于它是不不带电的粒子流，所以不受的粒子流，所以不受电磁磁场的作用，并具的作用，并具有很有很强的穿透能力。的穿透能力。对x射线光谱的研究发现，在x射线中有两类辐射，一类称为轫致辐射，是连续谱，另一类称为标识辐射，是线状谱。8其特点是：其特点是：#在电磁场中不发生偏转。在电磁场中不发生偏转。#穿透力强穿透力强#波长较短的电磁波，波长较短的电磁波，范围在范围在0.001nm10nm之间。之间。X 射线晶体衍射射线晶体衍射 天然晶体可以看作是光栅常量天然晶体可以看作是光栅常量很小的空间三维衍射光栅很小的空间三维衍射光栅。BCP铅版铅版天然天然晶体晶体乳胶板乳胶板乳胶板上在形成对称分布的乳胶板上在形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑。若干衍射斑点，称为劳厄斑。1912年劳厄的实验装置，如图：年劳厄的实验装置，如图：1913年英国物理学家布喇格父子提出一种简化了的年英国物理学家布喇格父子提出一种简化了的研究研究X射线衍射的方法，与劳厄理论结果一致。射线衍射的方法，与劳厄理论结果一致。9Table 3.1:Optimised lattice constants(in)calculated using the LDA,PW91 and HCTH.Mean absolute errors(mae)from experiment are also given.10 布喇格公式布喇格公式123dX射线以掠射角射线以掠射角射射到一组晶面上，晶面到一组晶面上，晶面间距为间距为d，来自不同，来自不同晶面的晶面的“反射线反射线”为为1和和2。它们的光程差。它们的光程差为：为：当当 时各层面上的反射光相干加强，时各层面上的反射光相干加强，形成亮点，为形成亮点，为 k 级干涉主极大。该式称级干涉主极大。该式称布喇格公式布喇格公式。因为晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离因为晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离 d 各各不相同所以，不相同所以，劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。ABCD1211掠射角掠射角晶格常数晶格常数 相邻两个晶面相邻两个晶面反射的两反射的两X射线干射线干涉涉加强的条件加强的条件 布拉格公式布拉格公式布布 拉拉 格格 反反 射射入射波入射波散射波散射波12 用途用途 测量射线的波长研究测量射线的波长研究X射线谱，射线谱，进而研究原子结构；研究晶体的结构，进一进而研究原子结构；研究晶体的结构，进一步研究材料性能步研究材料性能.例如对大分子例如对大分子 DNA 晶体的晶体的成千张的成千张的X射线衍射照片的分析，显示出射线衍射照片的分析，显示出DNA分子的分子的双螺旋双螺旋结构结构.13DNA 晶体的晶体的X衍射照片衍射照片DNA 分子的分子的双螺旋结构双螺旋结构 1415时间时间 获奖者获奖者国籍国籍 研究成果研究成果1913昻内斯昻内斯(H.K.Onnes)荷荷研究低温下物质研究低温下物质性质性质,制成液氦制成液氦,发现超导现象发现超导现象1914劳厄劳厄(M.Von Laue)德德1912年发现年发现X射射线的晶体衍射线的晶体衍射16时间时间 获奖者获奖者国籍国籍 研究成果研究成果1915亨利亨利布拉格布拉格(W.H.Bragg)劳伦斯劳伦斯布拉格布拉格(W.L.Bragg)英英 英英利用利用X射线分析晶体射线分析晶体结构结构同上同上(父子共同父子共同)1917巴克拉巴克拉(L.G.Barkla)英英发现元素的特征发现元素的特征X射射线线