實驗6 光柵的衍射

實驗17光柵的衍射一、實驗?zāi)康模?．觀察光柵衍射光譜，進(jìn)一步了解光的波動特征。2．會用透射光柵測光柵常數(shù)及光波波長。3．進(jìn)一步熟悉分光計的調(diào)整和使用。二、儀器及用具：分光計，光源，光柵、(汞燈或鈉燈)。三、實驗原理：光柵(衍射光柵)是一種由許許多多等寬度，等距離的平行單縫組成的光學(xué)原件?？煞殖赏干涔鈻?，反射光柵兩種。通常的光柵是在玻璃上刻上很多等寬度、等距離的平行刻痕形成?？毯厶幑獠煌高^，而刻痕之間為狹縫。其狹縫寬度a和刻痕寬度b之和(a+b)稱為光柵常數(shù)，用d表示，即。a+b=d,如圖1所示。光柵是根據(jù)多縫衍射原理制成的一種分光元件。它能把各種波長的混合光分解成單色光。當(dāng)平行光垂直照到一塊光柵上時，將在每個縫處都發(fā)生衍射。在衍射角*的方向上，來自兩個相鄰縫相對應(yīng)的衍射光的光程差為△，則△=dsin*。當(dāng)厶=kX(k=O,±1,±2 )時干涉出現(xiàn)極大值，從而有dsin*=kX，稱為光柵方程，式中*是衍射角，d=(a+b)是縫距稱光柵常數(shù)，k是光譜級數(shù)。如果用會聚透鏡把這些衍射后的平行光會聚起來，則在透鏡的焦面上將出現(xiàn)亮線，稱為譜線。在*=0方向上可觀察到中k央極強(qiáng)，稱為零級譜線。其它級數(shù)的譜線對稱地分布在零級譜線的兩側(cè)。如果入射光不是單色光，則由光柵方程(a+b)sin*=kX(k=0，±1，±2 )可知，X不同，*也不相同，于kk是復(fù)色光將分解。而在中央明條紋k=0,*=0處，各色光仍重迭在一起。在中央明紋兩側(cè)k對稱地分布k=l，2，……級光譜，各級譜線都按波長由小到大、依次排成一級彩色譜線，如圖2所示，根據(jù)式：

入射光入射光k=+1k=0k=-1圖2(a+b)sin*=kX，如能測出k級譜線的衍射角申，則從已知級數(shù)、波長大小，可以算kk出光柵常數(shù)d；反之，已知光柵常數(shù)d則可算出波長X。四、實驗內(nèi)容及步驟：1．光柵常數(shù)的測定。實驗是在分光計上進(jìn)行，要使實驗滿足夫瑯和費(fèi)衍射的條件和保證測量準(zhǔn)確，入射光應(yīng)是平行光，而衍射后應(yīng)用望遠(yuǎn)鏡觀察測量。所以要調(diào)整好分光計。具體調(diào)節(jié)方法參照分光計的調(diào)整和使用的實驗。調(diào)整好分光計(參照實驗分光計的調(diào)整和使用)。光柵的放置和調(diào)整：要求入射光垂直照射光柵表面，否則公式dsin申=kX不適用，并且平行光管狹縫與光光柵載物臺光柵載物臺①將光柵按圖3所示放在載物臺上，先目視，使光柵平面和平行光管軸線大致垂直，然后以光柵面作為反射面，調(diào)節(jié)BB直到光柵面與望遠(yuǎn)鏡軸線垂直，調(diào)節(jié)光柵支架或載物臺螺釘12BB，使得光柵的兩個面反射回來的亮十字像都與望遠(yuǎn)鏡筒中上方叉絲線重合。至此光柵12平面與望遠(yuǎn)鏡軸線垂直，并垂直于平行光管。然后固定載物臺所在的游標(biāo)盤。②調(diào)節(jié)光柵的刻痕使其與轉(zhuǎn)軸平行。使平行光管光軸對準(zhǔn)水銀燈，用汞燈照亮平行光管的狹縫，以保證有足夠的光照射到光柵上。然后轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，一般可以看到一級和二級譜線正負(fù)分別位于零級兩側(cè)。注意觀察叉絲交點是否在各條譜線中央，如果不是，可調(diào)節(jié)圖3中的螺釘B。注意不要再動B和B螺釘了，這樣就可以調(diào)好。調(diào)好后再檢查光柵平面是312否仍保持和轉(zhuǎn)軸平行。如果有了改變，就要反復(fù)多次，直到上面兩個要求都滿足為止。轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡觀察整個衍射光譜是否在同一水平線上，如有變化，說明狹縫與光柵刻痕不平行，調(diào)節(jié)B螺釘。3因為衍射光譜對中央明紋是對稱的，為了提高測量準(zhǔn)確度，測量k級譜線時，應(yīng)測出+k級和-k級譜線的位置。兩角位置之差申的一半即為9。為消除分光儀刻度的偏心誤差，k測量從兩個游標(biāo)讀數(shù)取平均值。所以k級譜線的衍射角為：9=-=1[(0—「)+?-0,|)]ok2 4 11 2 2測量時，可將望遠(yuǎn)鏡移到光譜的一端。如從…+彳、+2、+1到…一1、一2、一3…級，依次測量。并根據(jù)上式計算出各級衍射角，再根據(jù)dsin-=kX計算出光柵常數(shù)d。本實驗k以汞燈為光源，只測±1級光譜，重復(fù)測五次波長為546．07nm的綠光的衍射角-，代入k光柵方程求出光柵常數(shù)do應(yīng)注意+1與一1級的衍射角相差不能超過幾分，否則應(yīng)重新檢查人射角i是否為零。2．測定光波的波長。(1)測量汞燈或某一光源某一條譜線的衍射角。方法同上。本實驗測汞燈的k=±1級時的兩條黃線或紫線波長的衍射角-o(2)由測出的d，k，-(此處k取1級)代人光柵方程中,kk求出兩條黃線的波長或者紫線的波長。五、注意事項：1．在測量各級譜線衍射角的過程中，要經(jīng)常查看中央明紋與亮+字線及叉絲是否重合，若不重合，則需要重新調(diào)整載物臺。2?為了提高靈敏度，狹縫寬度應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)窄一些。六、回答問題：1.為什么測量時必須使光柵平面與