Wyższa Szkoła Inżynierii Dentystycznej im. prof. A. Meissnera w Ustroniu

LABORATORIUM FIZYCZNE

ĆWICZENIE nr 9

Wyznaczanie długości fali świetlnej metodą siatki dyfrakcyjnej

WPROWADZENIE

Światło ma naturę korpuskularno-falową. Z falowej natury światła wynikają zjawiska polaryzacji, interferencji oraz dyfrakcji. Badając zjawisko dyfrakcji światła na tzw. siatce dyfrakcyjnej można wyznaczyć długość fali świetlnej. Siatkę dyfrakcyjną stanowi szereg szczelin umieszczonych w równych od siebie odległościach w nieprzezroczystym ekranie. W praktyce siatkę dyfrakcyjną otrzymuje się najczęściej przez porysowanie płaskorównoległej płytki szklanej za pomocą diamentu szeregiem równoległych kresek. Przestrzenie między rysami to tzw. szczeliny. Jeśli na siatkę dyfrakcyjną prostopadle do jej powierzchni pada wiązka promieni równoległych to, zgodnie z zasadą Huygensa, każda szczelina staje się źródłem nowej fali kulistej. Zjawisko to nazywamy dyfrakcją, czyli uginaniem prostoliniowego biegu promieni. Promienie ugięte mogą nakładać się czyli interferować ze sobą, gdyż są promieniami spójnymi, czyli różnice faz między nimi zależą tylko od różnic dróg geometrycznych, a nie zależą od czasu. Biorąc pod uwagę wiązki promieni ugiętych obserwuje się ich wzmocnienie w pewnych kierunkach, a w innych ich wygaszenie (częściowe lub całkowite). Promienie ugięte doznają wzmocnienia, jeżeli różnica ich dróg optycznych jest równa całkowitej wielokrotności długości fali światła padającego. Warunek wzmocnienia promieni ugiętych na siatce dyfrakcyjnej ma zatem postać:

We wzorze tym d oznacza odległość miedzy sąsiednimi szczelinami czyli tzw. stałą siatki dyfrakcyjnej, natomiast m to rząd widma (n = 1,2,3,...) Dla każdej wartości długości fali kąt wzmacniania się promieni ugiętych jest inny, tak więc mierząc kąt ugięcia przy pomocy spektrometru możemy wyznaczyć długość fali świetlnej.

Długość fali świetlnej

(1.1)

gdzie, d - stała siatki

α_m - kąt ugięcia (położenie kątowe widma)

m - rząd widma

ZAGADNIENIA DO KOLOKWIUM WSTĘPNEGO

• Interferencja oraz dyfrakcja światła

• Siatka dyfrakcyjna, równanie siatki dyfrakcyjnej

• Światło spójne i niespójne, widma liniowe i ciągłe

APARATURA

Spektrometr z goniometrem, lampy spektralne, siatka dyfrakcyjna

WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Sprawdzić justowanie spektrometru (wyłącznie w obecności prowadzącego)

2. Włączyć lampę spektralną rtęciową. Przy pomocy lunety zaobserwować ostry obraz szczeliny.

3. Zmierzyć dokładnie położenie zerowe lunety. (Mając obraz szczeliny w polu widzenia lunety dokręcić śrubę blokującą. Następnie śrubą tzw. leniwką przesunąć krzyż na środek obrazu szczeliny. Odczytać na skali noniusza położenie zerowe α₀; po skończonym pomiarze zluzować śrubę blokującą)

4. Sprawdzić ustawienie siatki dyfrakcyjnej (Siatka powinna być ustawiona prostopadle do wiązki światła z kolimatora)

5. Przesunąć lunetę w prawo do pojawienia się barwnych prążków pierwszego rzędu (oraz widma wyższych rzędów). Następnie przesunąć lunetę w lewo i również zaobserwować widmo pierwszego rzędu. (oraz widma wyższych rzędów)

6. Wyznaczyć wartości kątów ugięcia α_p (prawa strona) oraz α_l (lewa strona) dla każdego prążka widm pierwszego i drugiego rzędu. (Dokładne wartości kątów ugięcia uzyskać poprzez ustawienia krzyża na wybranym prążku i odczytanie wartości na skali noniusza)

7. Po zakończeniu pomiarów dokładnie uporządkować stanowisko pracy

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Dla każdego z badanych prążków widma pierwszego i drugiego rzędu wyznaczyć średni kąt ugięcia α jako α= ½(α_p+ α_l)

2. Korzystając ze wzoru 1.1 obliczyć długość fal świetlnych λ dla lampy rtęciowej

3. Porównać otrzymane wartości z danymi tablicowymi

UWAGA: Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• stronę tytułową

• cześć teoretyczną (około 1 strona A4)

• wyniki pomiarów podpisane przez prowadzącego

• obliczenia, wykresy

• dyskusje dokładności pomiarów

• porównanie otrzymanych wyników z danymi tablicowymi

• literatura

LITERATURA

Henryk Szydłowski: PRACOWNIA FIZYCZNA, PWN

Tadeusz Dryński: ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z FIZYKI, PWN

---