Hiện tượng nhiễu xạ và Giao thoa

1
HIỆN TƯỢNG GIAO THOA & NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG
2
Nội dung
HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG
Hiện tượng giao thoa và điều kiện để có giao thoa ánh sáng
Khảo sát sự giao thoa ánh sáng qua khe Young
SỰ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG
Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng
Định nghĩa
Nguyên lý Huyghen – Fresnel
Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp (nhiễu xạ sóng phẳng): (Nhiễu xạ Frauhofe)
Điều kiện để có cực đại, cực tiểu nhiễu xạ
Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử
3
1.a Định nghĩa
Là hiện tượng xãy ra khi 2 sóng ánh sáng truyền đến một vùng nào đó của không gian, ở đó tạo ra vùng sáng và tối liên tiếp. Khoảng không gian có giao thoa gọi là trường giao thoa. Nếu đặt một màng trong trường giao thoa ta sẽ nhận được những vạch sáng và tối xen kẽ gọi là vân giao thoa.
4
1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng
2 sĩng �nh s�ng (ngu?n) ph?i cĩ c�ng t?n s?, phuong dao d?ng, hi?u pha khơng thay d?i theo th?i gian.
Gi? s? x�t ngu?n 1:
ngu?n 2:
Theo 2 dao d?ng


Trong dĩ : Hi?u pha
5
1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng


N?u:
Cho:
D? d?c trung t�c d?ng sĩng c?a sĩng �nh s�ng, ta dua v�o cu?ng d? sĩng co.
Ch?n k=1, cu?ng d? s�ng I ~ a2 => I ~ 4a12
(Cu?ng d? sĩng t? l? bình phuong v?i bi�n d? c?a sĩng).
Nhu v?y, nh?ng di?m nh?n 2 sĩng cĩ I ~ 4a12 l� di?m s�ng.
6
1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng
N?u:
m� Di?m t?i
2 sĩng cĩ di?u ki?n tr�n g?i l� 2 sĩng k?t h?p.
Ch� �: Trong mơi tru?ng d?ng hu?ng, sĩng �nh s�ng t? S ph�t ra l� sĩng c?u, bi�n d? c?a sĩng s? gi?m t? l? ngh?ch v?i kho?ng c�ch t? ngu?n d?n di?m ta x�t.
7
1.c Cách tạo nguồn kết hợp
Nguồn sóng biến thiên do dao động của các nguyên tử, do đó không tìm được sóng kết hợp từ 2 nguồn sáng. Để có sóng kết hợp, ta tách từ 1 nguồn sáng thành 2 tia sóng đi theo những quang lộ khác nhau. Sau đó, cho chúng gặp mhau.
8
1.c Cách tạo nguồn kết hợp
Gương Fresnel:
9
1.c Cách tạo nguồn kết hợp
Lưỡng bán thấu kính G.Bille:

Lưỡng lăng kính Fresnel:
10
2.a Điều kiện cực đại cực tiểu vân giao thoa
Giả sử có 2 nguồn sóng kết hợp S1 và S2
Đặt: S1M = l1 và S1M = l2 (quang lộ)
M nhận 2 sóng:
11
2.a Điều kiện cực đại cực tiểu vân giao thoa


dao động cực đại
cường độ sóng đạt cực đại :Imax

Nếu: dđ cực tiểu

Những điểm có cường độ sáng tối nhất: Imin = 0.
12
2.b Độ rộng của vân giao thoa
Là khoảng cách giữa 2 vân cùng loại liên tiếp. Cọn O là điểm cách đầu S1, S2:




Thông thường:
13
2.b Độ rộng của vân giao thoa
Vậy các cực đại giao thoa sẽ nằm cách điểm giữa O một khoảng Xmax thỏa mãn điều kiện:


Cực tiểu:
14
2.b Độ rộng của vân giao thoa






Khoảng cách giữa các vân sáng
(hoặc giữa các vân tối cũng vậy)
15
2.c Sự dịch chuyển hệ vân giao thoa





Chứng tỏ vân sáng mới O1(k = 0) sẽ nằm cách vân sáng cũ O một khoảng:
16
2.c Sự dịch chuyển hệ vân giao thoa
- Vì n > 1 nên x0 > 0 nghĩa là vân sáng giữa O1 bây giờ sẽ dịch chuyển về phía có đặt bản thủy tinh mỏng.
- Hiện tượng này là cơ sở để đo chiết suất trong các máy giao thoa kế.
M
17
3. Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng


Cho ánh sáng xuất phát từ S qua 1 lỗ tròn trên màn chắn P, ta sẽ nhận được 1 vệt sáng tròn có đường kính ab trên màn ảnh Q.

18
3. Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng
Nếu thu kích thước của lỗ trên P thì vệt sáng ab cũng thu nhỏ lại. Thí nghiệm chứng tỏ, khi kích thước của lỗ tròn rất nhỏ, ta thấy xuất hiện trên màn ảnh Q nhiều vòng tròn sáng và tối cùng tâm điểm nằm xen kẻ nhau cả trong vùng bóng tối hình học (ngoài phạm vi ab). Tâm điểm của các vân có thể sáng hoặc tối tùy theo kích thước của lỗ tròn và vị trí màn ảnh Q.
Thí nghiệm trên chứng tỏ, khi qua lỗ tròn, các tia sáng đã bị lệch khỏi phương truyền thẳng.
19
4. Định nghĩa
Hiện tượng các tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi chúng đi gần các vật chướng ngại, gây nên các vân sáng và tối trong cả vùng bóng tối hình học được gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Các vân sáng, tối xuất hiện khi đó gọi là vân nhiễu xạ.
20
5. Nguyên lý Huyghen - Fresnel
Bất kỳ điểm nào mà ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó.
Biên độ và pha của nguồn thứ cấp là biên độ và pha của nguồn sáng thực gây ra tại vị trí nguồn thứ cấp.
Dao động tại một điểm bất kỳ ngoài mặt sáng thứ cấp  là tổng hợp của tất cả những sóng phát đi từ các nguồn thứ cấp nằm trên mặt sáng ’’ gửi tới
21
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp









22
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp
Trên chắn sóng P, ta mở 1 khe hẹp hình chữ nhật độ rộng là a, chiều dài b, b rất lớn so với a.
Cho chùm tia sáng đơn sắc // chiếu vuông góc với mặt phẳng khe. Khi truyền qua chắn sóng P, chùm tia lệch phương truyền 1 góc . Ảnh thu được là các vân sáng, tối cách đều nhau, riêng vân sáng trung tâm rộng gấp nhiều lần các vân khác.
23
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp
Áp dụng nguyên lý Huyghen: Chọn mặt phẳng khe làm mặt phẳng .
Chọn nguồn phát sóng thứ cấp: Dựng những mặt phẳng 0, 1, 2, … n song song và cách đều nhau 1
khoảng = bắt đầu từ mặt trên của khe ( là bước sóng ánh sáng đơn sắc ta sử dụng), các mặt phẳng vuông góc chùm tia nhiễu xạ, mỗi dãy được coi như nguồn sáng thứ cấp.
24
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp
Vì 2 sóng ánh sáng từ 1 đới lẻ và 1 đới chẵn kế tiếp nhau gởi tới điểm M có hiệu quang lộ  dao động sóng của chúng có pha ngược nhau, tác dụng sóng của chúng sẽ khử lẫn nhau.
Nếu gọi a1,a2,…an là biên độ của các sóng ánh sáng do các nguồn thứ cấp 1,2,…n gởi tới M thì biên độ a của sóng sáng tổng hợp có thể viết:
a = a1 – a2 + a3 – a4 + a5 + …  an.
25
6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp
Qui ước: an (+) khi n lẻ
an (-) khi n chẵn.
Vì các dãy nhỏ và gần nhau nên xem như biên độ của một dãy bằng trung bình cộng biên độ của 2 dãy trước và sau nó.

26
7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ
Để tính cường độ sáng theo một phương bất kỳ ta vẻ các mặt phẳng 0, 1, 2… cách nhau /2 và vuông góc với chùm tia nhiễu xạ. Các mặt phẳng này chia mặt phẳng khe thành các dãi.
Gọi d là bề rộng của 1 dãi

Gọi n là số dãi trên khe
27
7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ
Nếu khe chứa 1 số chẳn dãi (n = 2k)


(loại k = 0). Điểm M sẽ tối

28
7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ
Nếu khe chứa 1 số lẻ dãi (n = 2k +1) thì dao động sóng do từng dãi kế tiếp gây ra tại M sẽ khử lẫn nhau, còn dao động sóng do dãi lẻ
2k + 1 gây ra không bị khử. M là điểm sáng.


Trong đó: k = 1, 2, 3, …, - 2, - 3, …
(loại k = 0, k = - 1)
29
7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ
Đồ thị phân bố cường độ sáng trên màng quan sát theo .
30
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử
Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp:
Giả sử có N khe hẹp giống nhau nằm song song nhau trong một mặt phẳng … Dọi lên các khe đó một chùm đơn sắc song song.
Giả sử chùm sáng gồm các tia kết hợp

31
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử
Tại những điểm trên màng có thỏa điều kiện


Cho cực tiểu nhiễu xạ


Cho cực đại nhiễu xạ. Dao động do 2 tia gây ra khử lẫn nhau. Điểm chính giữa chưa chắc là điểm tối.
32
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử
33
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử
Tổng quát N bất kỳ thì giữa hai cực đại chính kế tiếp có N – 1 cực tiểu phụ và N – 2 cực đại phụ.
34
8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử
Cách tử nhiễu xạ:
Định nghĩa: Tập hợp một số lớn những khe rất hẹp giống nhau, song song cách đều nhau và nằm trong cùng một mặt phẳng được gọi là cách tử nhiễu xạ.
Số khe trên 1 đơn vị chiều dài

35