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1、11.1.光的衍射现象光的衍射现象 1803 1803年，杨氏在太阳光线的途中放置一根年，杨氏在太阳光线的途中放置一根1/301/30寸硬纸条，观寸硬纸条，观察纸条投射到墙上的影子，发现除了在影子两侧出现了彩色的带察纸条投射到墙上的影子，发现除了在影子两侧出现了彩色的带外，影子本身也被分成若干条这样的带子，带的数目与硬纸条到外，影子本身也被分成若干条这样的带子，带的数目与硬纸条到影子的距离有关，且影子中央总是呈白色的。影子的距离有关，且影子中央总是呈白色的。1 光的衍射现象、惠更斯-菲涅耳原理针和细线的衍射条纹针和细线的衍射条纹 障碍物是针和细线的衍射障碍物是针和细线的衍射 小孔是单缝的衍射小

2、孔是单缝的衍射线线光光源源单单缝缝衍衍射射点点光光源源单单缝缝衍衍射射第1页/共67页2单缝衍射单缝衍射三角孔衍射三角孔衍射矩形孔衍射矩形孔衍射方形孔衍射方形孔衍射正多边形孔衍射正多边形孔衍射网格衍射网格衍射圆形孔衍射圆形孔衍射第2页/共67页3衍射衍射即光线偏离直线路径的现象即光线偏离直线路径的现象光能绕过障碍物进入几光能绕过障碍物进入几何阴影区，并出现光强何阴影区，并出现光强的不均匀分布。的不均匀分布。2.菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 菲涅耳衍射是指当光源和观察菲涅耳衍射是指当光源和观察屏，或两者之一离障碍物（衍射屏）屏，或两者之一离障碍物（衍射屏）的距离为的距离为有限

3、远有限远时，所发生的衍射时，所发生的衍射现象。现象。光源障碍物几几何何阴阴影影区区第3页/共67页4 夫琅和费衍射指光源和夫琅和费衍射指光源和观察观察屏离障碍物的距离均为屏离障碍物的距离均为无限远无限远时，时，所发生的衍射现象。所发生的衍射现象。夫琅和费衍射夫琅和费衍射菲涅耳衍射是指当光源菲涅耳衍射是指当光源和观察屏，或两者之一和观察屏，或两者之一离障碍物（衍射屏）的离障碍物（衍射屏）的距离为有限远时，所发距离为有限远时，所发生的衍射现象。生的衍射现象。菲涅耳衍射菲涅耳衍射光源光源 观观察察屏屏衍衍射射屏屏p观观察察屏屏衍衍射射屏屏*S光光源源第4页/共67页5 波波传传到到的的任任何何一一点

4、点都都是是子子波波的的波波源源，各各子子波波在在空空间间某某点点的的相相干干叠叠加，就决定了该点加，就决定了该点波的强度波的强度。惠更斯惠更斯菲涅耳菲涅耳3.3.惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理：倾斜因子：倾斜因子沿原波传播方向沿原波传播方向的子波振幅最大的子波振幅最大子波不能向后传播子波不能向后传播惠更斯惠更斯-菲涅耳原理的数学表示：菲涅耳原理的数学表示：第5页/共67页6这个积分式原则上能解决一切衍射问题甚至一切传播这个积分式原则上能解决一切衍射问题甚至一切传播问题。但由于波面形状的任意性使得积分难积，只有问题。但由于波面形状的任意性使得积分难积，只有有限的情况下才能积分出来。有限的情况下

5、才能积分出来。积分计算相当复杂（超出了本课范围），下节将介绍积分计算相当复杂（超出了本课范围），下节将介绍菲涅耳提出的一种简便的分析方法菲涅耳提出的一种简便的分析方法半波带法半波带法.它在处理一些有对称性的问题时，既方便，它在处理一些有对称性的问题时，既方便，物理图象又清晰。物理图象又清晰。第6页/共67页72 2 夫琅和费单缝衍射夫琅和费单缝衍射夫琅和费衍射：障碍物距光源、屏均为无限远。夫琅和费衍射：障碍物距光源、屏均为无限远。显然：入射光、衍射光显然：入射光、衍射光平行光束。（透镜平行光束。（透镜）透镜不附加新的透镜不附加新的光程差光程差*S f f a 透透 镜镜L 透镜透镜LpAB缝平

6、面缝平面观察屏观察屏0第7页/共67页8缝宽因素缝宽因素第8页/共67页9 越长，越长，1 1 越大，衍射效应越明显越大，衍射效应越明显.入射波长变化，衍射效应如何变化入射波长变化，衍射效应如何变化?第9页/共67页10波长因素第10页/共67页111.1.衍射图样主要规律如下：衍射图样主要规律如下：(2)(2)缝缝 a 越小，条纹越宽（即衍射越厉害）。越小，条纹越宽（即衍射越厉害）。(3)(3)波长波长 越长，条纹越宽（即有色散现象越长，条纹越宽（即有色散现象).).(1)(1)中央亮纹最亮，其宽度是其他亮纹的两倍；其他亮纹中央亮纹最亮，其宽度是其他亮纹的两倍；其他亮纹的宽度相同，亮度逐渐下

7、降。的宽度相同，亮度逐渐下降。第11页/共67页122.2.衍射公式衍射公式AB aA,B两条平行光线之间的光程差BC=asin.asin C作平行于作平行于AC的平面的平面,使相邻使相邻平面之间的距离等于入射光平面之间的距离等于入射光的半波长的半波长.（位相差（位相差）如图把如图把AB波阵面波阵面分成分成AA1，A1A2，A2B波带波带.A1A2两相邻波带对应点两相邻波带对应点AA1中中A1和和 A1A2中中A2，到达，到达P点位相差为点位相差为，光程差为，光程差为/2。所以任何两个相邻波带所发出所以任何两个相邻波带所发出的光线在的光线在P点相互抵消点相互抵消.当当BC是是/2的偶数倍的偶数

8、倍，所有波带成对抵消所有波带成对抵消，P点暗点暗，当当BC是是/2的奇数倍的奇数倍，所有波带成对抵消后留下一个波带所有波带成对抵消后留下一个波带，P点明点明。第12页/共67页13结论：结论：fP中央明纹第一级暗纹第二级暗纹第一级明纹第二级明纹第13页/共67页141f03.3.图象特点图象特点f0 xPI0衍射屏透镜观测屏 f 1第14页/共67页15其余各级明纹的宽度其余各级明纹的宽度,通常看作是相邻两条暗纹中心之间的距离通常看作是相邻两条暗纹中心之间的距离.I0衍射屏透镜观测屏 f 1第15页/共67页16明纹是由一个半波带产生的明纹是由一个半波带产生的,所以明纹强度随衍射级次的增所以明

9、纹强度随衍射级次的增加而逐渐减少，加而逐渐减少，衍射级次越高衍射级次越高,对应的对应的 角角越大越大,BC=asin 也也越大越大,单单缝被截出的半波带数目越缝被截出的半波带数目越多多,每个半波带的面积越每个半波带的面积越小小,其单独存在时在光屏其单独存在时在光屏上产生的光阵动越弱上产生的光阵动越弱.AB aasin C第16页/共67页17a 时时,角很小角很小,各级条纹集中在中央明纹附近各级条纹集中在中央明纹附近,分辨不清分辨不清,单一明条纹单一明条纹几何光学几何光学。5.5.狭缝宽度对衍射图象的影响狭缝宽度对衍射图象的影响衍射现象不明显，可作几何光学处理；衍射现象不明显，可作几何光学处理

10、；第17页/共67页18例：水银灯发出的波长为例：水银灯发出的波长为546546nm的绿色平行光，垂直入射于的绿色平行光，垂直入射于宽宽0.4370.437mm的单缝，缝后放置一焦距的单缝，缝后放置一焦距D为为4040cm的透镜，试求在的透镜，试求在透镜焦面上出现的衍射条纹中央明纹的宽度。透镜焦面上出现的衍射条纹中央明纹的宽度。解：两个第一级暗纹中心间的距离即为中央明纹宽度，对第解：两个第一级暗纹中心间的距离即为中央明纹宽度，对第一级暗条纹（一级暗条纹（k=1)1)求出其衍射角求出其衍射角中央明纹的角宽度中央明纹的角宽度式中式中 1 1很小很小透镜焦面上出现中央明纹的宽度透镜焦面上出现中央明纹

11、的宽度中央明纹的宽度与缝宽中央明纹的宽度与缝宽a成反比，单缝越窄，成反比，单缝越窄，中央明纹越宽。中央明纹越宽。第18页/共67页19例：在夫琅和费单缝实验中，垂直入射的平行单色光波长为例：在夫琅和费单缝实验中，垂直入射的平行单色光波长为=605.8nm，缝宽缝宽a=0.3mm，透镜焦距透镜焦距f=1m。求：求：(1)(1)第二级明纹中心至中央明纹中心的距离；第二级明纹中心至中央明纹中心的距离；(2)(2)相应于第二级和第三级明纹，可将单缝分出多少个半波带，相应于第二级和第三级明纹，可将单缝分出多少个半波带，每个半波带占据的宽度是多少？每个半波带占据的宽度是多少？解解(1)(1)单缝衍射明纹的

12、角位置由下式确定，单缝衍射明纹的角位置由下式确定，第19页/共67页20干涉和衍射的区别和联系 根据惠更斯根据惠更斯-菲涅耳原理，衍射就是衍射物所发光菲涅耳原理，衍射就是衍射物所发光的波阵面上各子波在空间场点的相干叠加，的波阵面上各子波在空间场点的相干叠加，所以衍射所以衍射的本质就是干涉的本质就是干涉，其结果是引起光场强度的重新分布，其结果是引起光场强度的重新分布，形成稳定的图样。形成稳定的图样。干涉和衍射的区别主要体现在参与叠加的光束不干涉和衍射的区别主要体现在参与叠加的光束不同，干涉是同，干涉是有限光束有限光束的相干叠加，衍射是的相干叠加，衍射是无穷多子波无穷多子波的相干叠加。的相干叠加。

13、第20页/共67页21由大量等宽，等间距的由大量等宽，等间距的平行狭缝所组成的光学元件。平行狭缝所组成的光学元件。光栅常数光栅常数 d=a+bPoab 3 光栅衍射第21页/共67页22缝宽缝宽a，刻痕宽度刻痕宽度b，光栅常数光栅常数：d=a+bd1.1.光栅公式光栅公式屏上出现衍射图象，实质：每个透光缝衍射（单缝衍射）屏上出现衍射图象，实质：每个透光缝衍射（单缝衍射）的基础上，各透光缝之间相互干涉作用的总效果。的基础上，各透光缝之间相互干涉作用的总效果。0p 相邻两束光的光程差相邻两束光的光程差=(a+b)sin 干涉加强干涉加强 (1)(k=0,1,)透光缝越多透光缝越多,条纹条纹越明显越

14、明显.第22页/共67页23如果同一个如果同一个 满足满足(1)(1)式时式时,又满足又满足:每个狭缝各自的光（按单缝衍射）相消，谈不上缝与缝之间每个狭缝各自的光（按单缝衍射）相消，谈不上缝与缝之间的干涉，按的干涉，按(1)(1)式应出现的明条纹，实际不出现式应出现的明条纹，实际不出现缺级现象。缺级现象。第23页/共67页24讨论题讨论题:光栅衍射光强曲线光栅衍射光强曲线光栅衍射光强曲线图图7.9 光栅衍射光强曲线光栅衍射光强曲线IN2I0单01234-1-2-3-40II0单-2-112单缝衍射光强曲线单缝衍射光强曲线单缝衍射的基础单缝衍射的基础上，各透光缝之上，各透光缝之间相互干涉作用间相

15、互干涉作用的总效果。的总效果。01234-1-2-3-4单缝衍射单缝衍射明纹明纹强度随衍射级强度随衍射级次的增加而逐次的增加而逐渐减少。渐减少。第24页/共67页25（k=0,1,2,3）-光栅方程光栅方程设每个缝发的光在对应衍射角设每个缝发的光在对应衍射角 方向方向P点的光振动的振幅为点的光振动的振幅为 EpP 点为主极大时点为主极大时明纹条件：明纹条件：2 2光栅衍射光强曲线光栅衍射光强曲线 (振幅矢量法振幅矢量法)暗纹条件：暗纹条件：由同频率、同方向振动合成的矢量由同频率、同方向振动合成的矢量多边形法则多边形法则得：得：P点合振幅为零点合振幅为零,各分振幅矢量组成闭合多边形。各分振幅矢量

16、组成闭合多边形。XoN 第25页/共67页26暗纹条件：暗纹条件：又又由由 (1),(2)得得例：例：N=4,有三个极小：有三个极小：1234 /241 0/d-(/d)-2(/d)2/dII0sin N=4=4光强曲线光强曲线/4d-(/4d)相位差在相位差在0 0与与2 2 之间之间1234 3/2光栅暗纹公式光栅暗纹公式第26页/共67页270/d-(/d)-2(/d)2/dII0sin N=4光强曲线光强曲线/4d-(/4d)暗纹间距暗纹间距=相邻主极大间有相邻主极大间有N1个暗纹和个暗纹和N2个次极大。个次极大。教材教材（）（）讨论讨论一般情况：一般情况：特别注意：k级主极大左是kN

17、-1，右kN+1级极小！本例：如取k=1，左：kN-1=3，右kN+1=5级极小。第27页/共67页280II0单-2-112单缝衍射光强曲线单缝衍射光强曲线N2sin2N/sin2 04-8-48多光束干涉光强曲线多光束干涉光强曲线N2I0单048-4-8单缝衍射单缝衍射 轮廓线轮廓线光栅衍射光栅衍射光强曲线光强曲线缺级公式缺级公式这里主极大缺这里主极大缺4,8级级。单缝衍射的基础上，单缝衍射的基础上，各透光缝之间相互各透光缝之间相互干涉作用的总效果。干涉作用的总效果。单缝衍射单缝衍射明纹强度明纹强度随衍射级次的增加随衍射级次的增加而逐渐减少。而逐渐减少。第28页/共67页29请回答：N=；

18、这里主极大缺级是。53第29页/共67页30光栅谱线特点光栅谱线特点与单缝衍射的情况相比与单缝衍射的情况相比,光栅衍射明纹要明亮、尖锐得多；光栅衍射明纹要明亮、尖锐得多；且明纹之间彼此也分得很开，形成且明纹之间彼此也分得很开，形成明锐且清晰可辨的谱线明锐且清晰可辨的谱线。单缝衍射单缝衍射：I A2光栅衍射：光栅衍射：I(NA)2 (光栅共有光栅共有N 条缝条缝),),是单缝衍射明纹强度的是单缝衍射明纹强度的N 2倍倍.由于由于N通常很大通常很大,光栅衍射光栅衍射明纹强度也必然很大明纹强度也必然很大,这样的明条纹称为主极大这样的明条纹称为主极大.进一步的分析表明进一步的分析表明:在相邻两根主极大

19、明条纹之间在相邻两根主极大明条纹之间,还有还有N-2根很小的明条纹根很小的明条纹,称为次明纹称为次明纹,因其强度太小因其强度太小,实际上观察不到实际上观察不到,而构成相邻主极大之间的背景暗区而构成相邻主极大之间的背景暗区,所以明纹所以明纹(主极大主极大)之间彼此之间彼此也分得很开，形成明锐且清晰可辨的谱线也分得很开，形成明锐且清晰可辨的谱线.第30页/共67页31增加缝数N，会使干涉条纹变窄；在两个主极大之间有N-2个次极大。增加缝数，次极大的相对光强会减小。由于Imax=N2I0，所以增加缝数会增加主极大的亮度。第31页/共67页32当缝数很多时，次极大很小，主极大的条纹又细又亮。第32页/

20、共67页33 复色光照射光栅时，谱线按波长向外复色光照射光栅时，谱线按波长向外侧依次分开排列，形成光栅光谱。侧依次分开排列，形成光栅光谱。光栅分光镜光栅分光镜3.光栅光谱对同级明纹，波长较长的光波衍射角较大。白光或复色光入射，高级次光谱会相互重叠。第33页/共67页34例：利用一个每厘米刻有例：利用一个每厘米刻有40004000条缝的光栅，在白光垂直照射条缝的光栅，在白光垂直照射下，可以产生多少完整的光谱？问哪一级光谱中的哪个波长下，可以产生多少完整的光谱？问哪一级光谱中的哪个波长的光开始与其他谱线重叠？的光开始与其他谱线重叠？解解:对第对第k级光谱，角位置从级光谱，角位置从 k紫紫到到 k红

21、红，要产生完整的光谱，即要，要产生完整的光谱，即要求求 紫紫的第的第(k+1)+1)级纹在级纹在 红红的第的第k级条纹之后，亦即级条纹之后，亦即根据光栅方程根据光栅方程 由由 得得 或或 所以只有所以只有k=1=1才满足上式，所以只能产生一个完整的可见才满足上式，所以只能产生一个完整的可见光谱，而第二级和第三级光谱即有重叠出现。光谱，而第二级和第三级光谱即有重叠出现。第34页/共67页35 设第二级光谱中波长为设第二级光谱中波长为 的光与第三级中紫光开始重叠的光与第三级中紫光开始重叠，这样，这样例：利用一个每厘米刻有例：利用一个每厘米刻有40004000条缝的光栅，在白光垂直照射条缝的光栅，在

22、白光垂直照射下，可以产生多少完整的光谱？问哪一级光谱中的哪个波长下，可以产生多少完整的光谱？问哪一级光谱中的哪个波长的光开始与其他谱线重叠？的光开始与其他谱线重叠？光光色色波长波长(nm)红（红（Red）620760橙（橙（Orange）592620黄（黄（Yellow）578592绿（绿（Green）500578青（青（Cyan）464500蓝（蓝（Blue）446464紫（紫（Violet）4004460 0级1 1级2 2级-1-1级-2-2级3 3级-3-3级第35页/共67页36例：用每毫米刻有例：用每毫米刻有500条栅纹的光栅，观察钠光谱线条栅纹的光栅，观察钠光谱线（=589.3n

23、m）,问问(1)(1)平行光线垂直入射时；最多能看见第几级条纹？总共有多少平行光线垂直入射时；最多能看见第几级条纹？总共有多少条条纹？条条纹？(2)(2)由于钠光谱线实际上是由于钠光谱线实际上是 1=589.0nm 及及 2=589.6nm 两两条谱线的平均波长，求在正入射时最高级条纹此双线分开的角距离条谱线的平均波长，求在正入射时最高级条纹此双线分开的角距离及在屏上分开的线距离。设光栅后透镜的焦距为及在屏上分开的线距离。设光栅后透镜的焦距为2 2m.解解 (1)(1)根据光栅方程根据光栅方程按题意知，光栅常数为按题意知，光栅常数为k 的可能最大值相应于的可能最大值相应于 代入数值得代入数值得

24、 k只能取整数，故取只能取整数，故取k=3,即垂直入射时能看到第三级条纹。即垂直入射时能看到第三级条纹。第36页/共67页37对光栅公式两边取微分对光栅公式两边取微分 设波长为设波长为 及及+d 第第k级的两条纹分开的角距离为级的两条纹分开的角距离为d k(2)(2)由于钠光谱线实际上是由于钠光谱线实际上是 1=589.0nm 及及 2=589.6nm 两条两条谱线的平均波长，求在正入射时最高级条纹此双线分开的角谱线的平均波长，求在正入射时最高级条纹此双线分开的角距离及在屏上分开的线距离。设光栅后透镜的焦距为距离及在屏上分开的线距离。设光栅后透镜的焦距为2 2m.光线正入射时，最大级次为第光线

25、正入射时，最大级次为第3 3级，相应的角位置级，相应的角位置 3 3为为所以所以钠双线分开的线距离钠双线分开的线距离第37页/共67页38解解:例例:波长为波长为=632.8nm的平行单色光垂直入射到某光栅上，的平行单色光垂直入射到某光栅上，设该光栅每毫米刻有设该光栅每毫米刻有500条刻痕，相邻刻痕间透光部分宽度条刻痕，相邻刻痕间透光部分宽度为为1000nm，求，求(1)(1)光栅常数光栅常数;(2);(2)一共能观察到多少根明条纹一共能观察到多少根明条纹?能观察到的光栅衍射条纹的最大衍射角应小于能观察到的光栅衍射条纹的最大衍射角应小于将其代入光栅公式将其代入光栅公式k只能取整数只能取整数，故

26、能观察到的最高明条纹级数，故能观察到的最高明条纹级数k=3,第38页/共67页39解解:(1):(1)由单缝衍射由单缝衍射中央明条纹宽度公式中央明条纹宽度公式,(2)(2)在由单缝衍射第一级暗纹公式在由单缝衍射第一级暗纹公式asin =,所确定的所确定的 内内,按光栅衍按光栅衍射主极大的公式射主极大的公式,即即两式联立两式联立例例:一衍射光栅一衍射光栅,每厘米有每厘米有400条透光缝条透光缝,每条透光缝宽度为每条透光缝宽度为a=1 10-5m,在光栅后放一焦距在光栅后放一焦距f=1m的凸透镜的凸透镜,现以现以=500nm的单的单色平行光垂直照射光栅色平行光垂直照射光栅,求求(1)(1)透光缝透

27、光缝a的单缝衍射中央明条纹宽的单缝衍射中央明条纹宽度为多少度为多少?(2)?(2)在该宽度内在该宽度内,有几个光栅衍射主极大有几个光栅衍射主极大?有有5 5个光栅衍射主极大个光栅衍射主极大第39页/共67页40波长为波长为+的第的第k级主极大的角位置为：级主极大的角位置为：波长为波长为 的第的第kN+1级极小的角位置为：级极小的角位置为：光栅的分辨本领是指把波长靠得很近的光栅的分辨本领是指把波长靠得很近的两条谱线分辨的清楚的本领。两条谱线分辨的清楚的本领。4.*光栅的分辨本领由暗纹条件：由暗纹条件：表征光栅性能主要技术指标。表征光栅性能主要技术指标。定义为：定义为：两条两条谱线的平谱线的平均波

28、长均波长 两条两条谱线的波谱线的波长差长差根据瑞利准则：要分辨根据瑞利准则：要分辨k级光谱中波长为级光谱中波长为 和和+两条两条谱线。要满足波长谱线。要满足波长+第第k主级大恰好与主级大恰好与波波长长 的最邻近（的最邻近（kN+1）的极小的极小相重合。相重合。特别注意：k级主极大左是kN-1，右kN+1级极小！第40页/共67页41例：设计一光栅，要求例：设计一光栅，要求：(1)(1)能分辨钠光谱的能分辨钠光谱的 5.89010-7m和和5.89610-7m的第二级谱线；的第二级谱线；(2)(2)第二级谱线衍射角第二级谱线衍射角 300;(3)(3)第三级谱线缺级。第三级谱线缺级。解解(1)(

29、1)按光栅的分辨本领按光栅的分辨本领得得即必须有即必须有(2)(2)根据根据 由于由于 300，所以，所以(3)(3)缺级公式缺级公式 第三级谱线缺级第三级谱线缺级 这样光栅的这样光栅的 N、a、b 均被确定。均被确定。第41页/共67页424 4 光学仪器分辨本领光学仪器分辨本领1 1.夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射衍射图象：衍射图象：明暗相间的同心圆明暗相间的同心圆。中央亮斑称爱里斑中央亮斑称爱里斑:占总入射光强的占总入射光强的84%。为为半角宽度半角宽度；0.61/R第42页/共67页43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

30、镜)波动光学波动光学 :物点物点 象斑象斑物物(物点集合物点集合)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距离很近的两个物点的象斑有可能重叠，从而分辨不清。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：2.2.光学仪器的分辩本领光学仪器的分辩本领第43页/共67页44The diffraction pattern from a single,small circular aperture is identical to the diffraction pattern of a star(or point source)Th

31、e three pictures above represent the diffraction pattern of two point sources.In the picture 1,it is possible to distinguish between the two point sources.The remaining two pictures show when there is two much overlap for the two point sources to be distinguished.第44页/共67页45近近远远规定：第一个中央亮斑中心最规定：第一个中央

32、亮斑中心最亮处刚好与另一个最暗处重合。亮处刚好与另一个最暗处重合。恰好能分辨恰好能分辨。第45页/共67页46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：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%第46页/共67页47 例：在通常的明亮环境中，人眼瞳孔的直径约为例：在通常的明亮环境中，人眼瞳孔的直径约为3 3 mm，问人眼的最小分辨角是多大？如果纱窗上两根细丝之间的距问人眼的最小分辨角是多大？如果纱窗上两根细丝之间的距离离 l=2.0mm，问离纱窗多远处人眼恰能分辨清楚两根细丝问离纱窗多远处人眼恰能分辨清楚两根细丝？解解:以视觉感受最灵敏的黄绿光来讨论，

33、以视觉感受最灵敏的黄绿光来讨论，其波长其波长=550=550nm，人眼最小分辨角，人眼最小分辨角设人离纱窗距离为设人离纱窗距离为S S，则，则如果恰能分辨如果恰能分辨第47页/共67页48假设可见光波段不是在假设可见光波段不是在400nm-760nm，而是在毫米波段，而人眼睛瞳，而是在毫米波段，而人眼睛瞳孔仍保持在孔仍保持在3mm左右，设想人们看到的外部世界是什么景象？左右，设想人们看到的外部世界是什么景象？讨论讨论在我们的生活的世界，可见光波长的大小和人眼瞳孔的孔径配合得是非常巧妙在我们的生活的世界，可见光波长的大小和人眼瞳孔的孔径配合得是非常巧妙的，的，“天然地天然地”满足满足 D的条件，

34、物体在视网膜上成像时就可以不考虑瞳孔的条件，物体在视网膜上成像时就可以不考虑瞳孔的衍射，而认为光线是直线传播，那么物体上的任一物点通过眼睛的水晶体成的衍射，而认为光线是直线传播，那么物体上的任一物点通过眼睛的水晶体成像到视网膜上的像也是一个像到视网膜上的像也是一个点点，我们就可以清楚地分辨眼前的景物了。，我们就可以清楚地分辨眼前的景物了。而如果可见光的波长也变成毫米量级，而如果可见光的波长也变成毫米量级，则波长与瞳孔孔径大小可比，每个物点则波长与瞳孔孔径大小可比，每个物点在视网膜上的像将不是一个点，而是一在视网膜上的像将不是一个点，而是一个很大的个很大的衍射斑衍射斑，以至于无法把它们分，以至于

35、无法把它们分辨出来，人们看不到目前所看到的物体辨出来，人们看不到目前所看到的物体形状了，而是一片模糊的景象。形状了，而是一片模糊的景象。第48页/共67页49 十九世纪末二十世纪处，这其间科学发现高峰迭起，科学家十九世纪末二十世纪处，这其间科学发现高峰迭起，科学家也历经磨难，与天斗、与地斗、与人斗，其乐无穷。在这两个世也历经磨难，与天斗、与地斗、与人斗，其乐无穷。在这两个世纪相交之时，科学的标志是甚么呢？说来有趣，竟是一丝亮光，纪相交之时，科学的标志是甚么呢？说来有趣，竟是一丝亮光，如萤火虫那样在黑夜中一闪，便迎来了一个新纪元。如萤火虫那样在黑夜中一闪，便迎来了一个新纪元。1895 1895年

36、年1111月月8 8日，星期五，这天下午，德国维尔茨堡大学五十岁日，星期五，这天下午，德国维尔茨堡大学五十岁的伦琴像平时一样，正在实验室黑屋子里专心做实验。他用放电管的伦琴像平时一样，正在实验室黑屋子里专心做实验。他用放电管做放电实验。出现了神秘的荧光，随着感应圈的起伏放电，忽如夜做放电实验。出现了神秘的荧光，随着感应圈的起伏放电，忽如夜空深处飘来一小团淡绿色的云朵，在躲躲闪闪地运动。空深处飘来一小团淡绿色的云朵，在躲躲闪闪地运动。伦琴大为震惊，他一把抓过桌上的火柴，嚓的一声划亮。原来伦琴大为震惊，他一把抓过桌上的火柴，嚓的一声划亮。原来离工作台近一米远的地方立着一个亚铂氰化钡小屏，荧光是从这

37、里离工作台近一米远的地方立着一个亚铂氰化钡小屏，荧光是从这里发出的。发出的。世纪之交,科学的标志第49页/共67页50 阴极射线绝不能穿过数厘米以上的空气，怎么能使这面在将阴极射线绝不能穿过数厘米以上的空气，怎么能使这面在将近一米外的光屏闪光呢？莫非是一种未发现的新射线吗？近一米外的光屏闪光呢？莫非是一种未发现的新射线吗？他兴奋他兴奋地托起荧光屏，一前一后地挪动位置，可是那一丝绿光总不会逝地托起荧光屏，一前一后地挪动位置，可是那一丝绿光总不会逝去。看来这种新射线的穿透能力极强，与距离没有多大关系。那去。看来这种新射线的穿透能力极强，与距离没有多大关系。那末除了空气外它能不能穿透其他物质呢？末除

38、了空气外它能不能穿透其他物质呢？伦琴抽出一张扑克牌，挡住射线，荧光屏上照样出现亮光。伦琴抽出一张扑克牌，挡住射线，荧光屏上照样出现亮光。他又换了一本书，荧光屏虽不像刚才那样亮，但照样发光。他又他又换了一本书，荧光屏虽不像刚才那样亮，但照样发光。他又换了一张污铝片，效果和一本厚书一样。他再换一张薄铅片，却换了一张污铝片，效果和一本厚书一样。他再换一张薄铅片，却没有了亮光，没有了亮光，铅竟能截断射线。铅竟能截断射线。一连几个星期，伦琴突然失踪，课堂上、校园里都找不见一连几个星期，伦琴突然失踪，课堂上、校园里都找不见他，终日将自己关在实验室里。他，终日将自己关在实验室里。别人可以不管，夫人贝尔塔可不

39、能不问。贝尔塔一是担心他别人可以不管，夫人贝尔塔可不能不问。贝尔塔一是担心他的身体，二是出于好奇。这天估计伦琴已开始工作，她便偷偷地的身体，二是出于好奇。这天估计伦琴已开始工作，她便偷偷地溜进实验室里。溜进实验室里。第50页/共67页51 正好这时伦琴高兴，他并没有责备贝尔塔私闯实验室，正好这时伦琴高兴，他并没有责备贝尔塔私闯实验室，“来得正好，请帮个忙。你双手捧着这个小荧光屏向后慢慢退来得正好，请帮个忙。你双手捧着这个小荧光屏向后慢慢退去，我来观察，看随着距离的远近荧光的亮度有甚么变化。去，我来观察，看随着距离的远近荧光的亮度有甚么变化。”伦琴说：伦琴说：“退退”，她就向后退一步；说，她就向

40、后退一步；说“停停”，她就停下来，她就停下来等待他观察。这样越退越远，贝尔塔已完全被黑暗所吞没，伦琴等待他观察。这样越退越远，贝尔塔已完全被黑暗所吞没，伦琴眼里只留下一方荧屏的闪亮。眼里只留下一方荧屏的闪亮。伦琴正看得入神，忽听暗处贝尔塔伦琴正看得入神，忽听暗处贝尔塔“呀呀”地一声尖叫，接地一声尖叫，接着便是眶当一声，荧屏跌落在地。着便是眶当一声，荧屏跌落在地。伦琴忙将电灯打开，只见贝尔塔，伦琴忙将电灯打开，只见贝尔塔，双手前伸，两目痴睁睁的说：双手前伸，两目痴睁睁的说：“手手，刚才我看见了我的手刚才我看见了我的手”。“你这手不你这手不是好好的吗？是好好的吗？”“不，它又变回来了，不，它又变回

41、来了，刚才太可怕了，我这两只手只剩下几刚才太可怕了，我这两只手只剩下几根光骨头根光骨头”。第51页/共67页52 伦琴熄灭灯，又重新立起一块荧光屏，这次他将自己的手伦琴熄灭灯，又重新立起一块荧光屏，这次他将自己的手伸在屏上，果然显出五根手骨的影子。然后他又取出一个装有伸在屏上，果然显出五根手骨的影子。然后他又取出一个装有照相底板的暗盒，请贝尔塔将一只手平放在上面，再用放电管照相底板的暗盒，请贝尔塔将一只手平放在上面，再用放电管对准，这样照射了十五分钟。底片在显影液里捞出来了，手部对准，这样照射了十五分钟。底片在显影液里捞出来了，手部的骨骼清晰可见，连无名指上那颗结婚戒指都清清楚楚，这是的骨骼清

42、晰可见，连无名指上那颗结婚戒指都清清楚楚，这是因为戒指完全挡住了射线。因为戒指完全挡住了射线。在在18951895年的最后几天，伦琴将这年的最后几天，伦琴将这项研究成果整理成一篇论文项研究成果整理成一篇论文一种新一种新的射线，初步报告的射线，初步报告，给了维尔茨堡，给了维尔茨堡物理学医学学会。同时又把报告的副物理学医学学会。同时又把报告的副本和几张本和几张X射线照片邮寄给他的几位射线照片邮寄给他的几位物理学家朋友。物理学家朋友。1896 1896年年1 1月月5 5日，维也纳日，维也纳新闻报新闻报就在头版以就在头版以耸人听闻的发现耸人听闻的发现为题，为题，在全世界第一次发表了这条独家新闻。在全

43、世界第一次发表了这条独家新闻。第52页/共67页5319011901年获首届诺贝尔年获首届诺贝尔物理学奖物理学奖 1895 1895年，德国物理学家伦琴年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管的过程中，发在研究阴极射线管的过程中，发现了一种穿透力很强的射线。现了一种穿透力很强的射线。高压电源金属靶电子束高能 由于未知这种射线的实质（或由于未知这种射线的实质（或本性），将它称为本性），将它称为 X 射线。射线。X 射射 线线5 X 射线的衍射伦琴伦琴第53页/共67页5419141914年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 X 射线发现射线发现1717年后，于年后，于19121912年，德国物理学家

44、劳厄年，德国物理学家劳厄找到了找到了X 射线具有波动本性的最有力的实验证据：射线具有波动本性的最有力的实验证据：发现并记录了发现并记录了X射线通过晶体射线通过晶体时发生的衍射现象。时发生的衍射现象。由此由此，X射线被证实是一种频率射线被证实是一种频率很高（波长很短）的电磁波。很高（波长很短）的电磁波。在电磁波谱中，在电磁波谱中，X射线的波射线的波长范围约为长范围约为0.005 nm到到10 nm，相当于可见光波长的相当于可见光波长的1010万分之一万分之一到到5050分之一分之一 。劳厄第54页/共67页55劳厄的劳厄的X射线衍射实验原理图射线衍射实验原理图 晶体中有规则排列的原子，可看作一个

45、立体的光栅。原子的线度和间晶体中有规则排列的原子，可看作一个立体的光栅。原子的线度和间距大约为距大约为10-10 m 数量级，根据前述可见光的光栅衍射基本原理推断，只数量级，根据前述可见光的光栅衍射基本原理推断，只要入射要入射X射线的波长与此数量级相当或更小些，就可能获得衍射现象。射线的波长与此数量级相当或更小些，就可能获得衍射现象。衍射斑纹（劳衍射斑纹（劳 厄厄 斑）斑）晶体X射线（硫化铜）记录干板第55页/共67页56 1912 1912年，英国物理学家布喇格父子提出年，英国物理学家布喇格父子提出X射线在晶体射线在晶体上衍射的一种简明的理论解释上衍射的一种简明的理论解释 布喇格定律，又称布

46、喇格定律，又称布喇格条件。布喇格条件。19151915年布喇格父子获诺贝尔物理学奖，年布喇格父子获诺贝尔物理学奖，小布喇格当年小布喇格当年2525岁，是历届诺贝尔奖最年轻的得主。岁，是历届诺贝尔奖最年轻的得主。第56页/共67页57氯化钠晶体氯离子钠离子ClNa晶体结构中的三维空间点阵第57页/共67页58晶体中的原子或离子X 射 线原子或离子中的电原子或离子中的电子在外场作用下做子在外场作用下做受迫振动。受迫振动。晶体点阵晶体点阵中的每一阵点中的每一阵点可看作一个新可看作一个新的波源，向外的波源，向外辐射与入射的辐射与入射的X射线同频率射线同频率的电磁波，称的电磁波，称为散射波。为散射波。点

47、阵的散射波点阵的散射波第58页/共67页59X 射 线 晶体点阵的散射波可以相互干涉。晶体点阵的散射波可以相互干涉。同一面中点阵同一面中点阵散射波干涉散射波干涉不同面间点阵不同面间点阵散射波干涉散射波干涉包括包括和和散射波干涉散射波干涉第59页/共67页60零级衍射谱入射角掠射角镜面反射方向平面法线入射X射线任一平面任一平面上的点阵上的点阵任一平面上的点阵散射波的干涉任一平面上的点阵散射波的干涉干涉结果总是在镜面反射方向上出现最大光强干涉结果总是在镜面反射方向上出现最大光强称为该平面的零级衍射谱称为该平面的零级衍射谱第60页/共67页61入射角掠射角镜面反射方向平面法线入射X射线任一平面上的点

48、阵任一平面上的点阵散射波的干涉干涉结果总是在镜面反射方向上出现最大光强称为该平面的零级衍射谱任一平面任一平面上的点阵上的点阵入射X射线平面法线镜面反射方向镜面反射方向ZXY用图示法作简易证明用图示法作简易证明AABBCCCDBBAA；C CCCAACCAD，光程相等即光程差为零干涉得最大光强零级谱证明零级谱证明第61页/共67页62面间点阵散射波的干涉面间点阵散射波的干涉面1面2面3作截面分析第62页/共67页63X射线入射角掠射角求出相邻晶面距离为 d 的两反射光相长干涉条件层间两反射光的光程差层间两反射光的光程差面间点阵散射波的干涉面间点阵散射波的干涉布喇格定律布喇格定律相长干涉得亮点的条

49、件相长干涉得亮点的条件或或布喇格条件布喇格条件布喇格定律布喇格定律第63页/共67页64 根据晶体中原子有规则的排列，沿不同的方向，可划分出不同根据晶体中原子有规则的排列，沿不同的方向，可划分出不同间距间距 d 的晶面。的晶面。对任何一对任何一种方向的晶面，种方向的晶面，只要满足布喇只要满足布喇格公式，则在格公式，则在该晶面的反射该晶面的反射方向上，将会方向上，将会发生散射光的发生散射光的相长干涉。相长干涉。根据布喇格公式根据布喇格公式若已知晶体结构，可通过测若已知晶体结构，可通过测 求入射求入射X X射线的波长及波谱射线的波长及波谱。若已入射若已入射X射线波长，可通过测射线波长，可通过测 求

50、晶面间距及晶体结构。求晶面间距及晶体结构。公式应用公式应用第64页/共67页65衍射图样举例石英石英(SiO2)的的X射线衍射斑点射线衍射斑点NaCl 单晶的单晶的X射线衍射斑点射线衍射斑点A Bragg diffraction pattern produced by scattering light from a single oriented BCC colloidal（胶状的胶状的,胶质的胶质的）crystal is shown to the top.第65页/共67页66X射线的应用射线的应用 X射线的应用不仅开创了研究晶体结射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，而且用它可以作光谱