Дифракция света — Физика — Презентации

Дифракция света

Характерным проявлением волновых свойств света является дифракция света —

отклонение от прямолинейного распространения

на резких неоднородностях среды

Дифракция была открыта Франческо Гримальди в конце XVII в. Объяснение явления дифракции света дано Томасом Юнгом и Огюстом Френелем, которые не только дали описание экспериментов по наблюдению явлений интерференции и дифракции света, но и объяснили свойство прямолинейности распространения света с позиций волновой теории

Биографии

Принцип Гюйгенса — Френеля

Для вывода законов отражения и преломления мы использовали принцип Гюйгенса.

Френель дополнил его формулировку для объяснения явления дифракции

Определите, какое дополнение ввел Френель?

Принцип Гюйгенса:

каждая точка волновой поверхности является источником вторичных сферических волн

Принцип Гюйгенса-Френеля:

каждая точка волновой поверхности является источником вторичных сферических волн ,

которые интерферируют между собой

Дифракция от различных препятствий: а) от тонкой проволочки; б) от круглого отверстия; в) от круглого непрозрачного экрана.

Дифракционные картины от одного препятствия с разным числом открытых зон

Если разность хода от двух соседних зон равна половине длины волны

, то колебания от них приходят в точку О в противоположных фазах и наблюдается интерференционный минимум , если разность хода равна длине волны , то наблюдается интерференционный максимум

Таким образом, если на препятствии укладывается целое число длин волн, то они гасят друг друга и в данной точке наблюдается минимум (темное пятно). Если нечетное число полуволн, то наблюдается максимум (светлое пятно)

Зонные пластинки

На этом принципе основаны т.н. зонные пластинки

Условия наблюдения дифракции

• Дифракция происходит на предметах любых размеров, а не только соизмеримых с длиной волны 

Условия наблюдения дифракции

• Трудности наблюдения заключаются в том, что вследствие малости длины световой волны интерференционные максимумы располагаются очень близко друг к другу, а их интенсивность быстро убывает

Границы применимости геометрической оптики

• Дифракция наблюдается хорошо на расстоянии
• Если , то дифракция невидна и получается резкая тень ( d — диаметр экрана).
• Эти соотношения определяют границы применимости геометрической оптики

Границы применимости геометрической оптики

• Если наблюдение ведется на расстоянии , где d — размер предмета, то начинают проявляться волновые свойства света

Соотношения длины волны и размера препятствия

• На рис. показана примерная зависимость результатов опыта по распространению волн в зависимости от соотношения размеров препятствия и длины волны.

Интерференционные картины от разных точек предмета перекрываются, и изображение смазывается, поэтому прибор не выделяет отдельные детали предмета. Дифракция устанавливает предел разрешающей способности любого оптического прибора

Разрешающая способность человеческого глаза приблизительно равна одной угловой минуте: , где D — диаметр зрачка; телескопа  =0 ,02 »; у микроскопа увеличение не более 2 . 10 3 раз. Можно видеть предметы, размеры которых соизмеримы с длиной световой волны

Дифракционная решетка

Дифракционные решетки, представляющие собой точную систему штрихов некоторого профиля, нанесенную на плоскую или вогнутую оптическую поверхность, применяются в спектральном приборостроении, лазерах, метрологических мерах малой длины и т.

д

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка

• Величина d = a + b называется постоянной (периодом) дифракционной решетки, где а — ширина щели; b — ширина непрозрачной части

Дифракционная решетка

• Угол  — угол отклонения световых волн вследствие дифракции.
• Наша задача — определить, что будет наблюдаться в произвольном направлении  — максимум или минимум

Дифракционная решетка

• Оптическая разность хода

• Из условия максимума интерференции получим:

Дифракционная решетка

• Следовательно:

— формула дифракционной решетки.

Величина k — порядок дифракционного максимума

( равен 0,  1,  2 и т.д.)

Определение  с помощью дифракционной решетки

https://www.youtube.com/watch?v=S8orh4bft0c&list=RDCMUCqKclh3n8KxqtUaBOfXsavA&index=2

Гримальди Франческо 2. IV.1618 — 28.XII.1663

Итальянский ученый. С 1651 года — священник.

Открыл дифракцию света, систематически ее изучал и сформулировал некоторые правила. Описал солнечный спектр, полученный с помощью призмы. В 1662 г. определил величину поверхности Земли.

Френель Огюст Жан (10.V.1788 — 14.VII.1827)

Французский физик. Научные работы посвящены физической оптике.

Дополнил известный принцип Гюйгенса, введя так называемые зоны Френеля (принцип Гюйгенса — Френеля). Разработал в 1818 году теорию дифракции света

Юнг Томас 13 .IV.1773-10.V.1829

Английский ученый. Полиглот. Научился читать в 2 года. Объяснил аккомодацию глаза, обнаружил интерференцию звука, объяснил интерференцию света, и ввел этот термин. Измерил длины волн световых лучей. Исследовал деформацию

Араго Доменик Франсуа

(26. II.1786-2.X.1853)

Французский физик и политический деятель. Автор многих открытий по оптике и электромагнетизму: хроматическую поляризацию света, вращение плоскости поляризации, намагничивание железных опилок вблизи проводника с током. Установил связь полярных сияний с магнитными бурями. По его указаниями А.Физо и У.Фуко измерили скорость света, а У.Леверье открыл планету Нептун

Фраунгофер Йозеф (6.III.1787- 7.VI.1826)

Немецкий физик.

Научные работы относятся к физической оптике. Внёс существенный вклад в исследование дисперсии и создание ахроматических линз. Фраунгофер изучал дифракцию в параллельных лучах (так называемая дифракция Фраунгофера).Сначала от одной щели, а потом от многих. Большой заслугой учёного является использование(с 1821 года) дифракционных решеток для исследования спектров (некоторые исследователи считают его даже изобретателем первой дифракционной решетки)

Пуассон Семион Дени (21.VI.1781 — 25.IV.1840)

Французский механик, математик, физик, член Парижской академии наук (с 1812 года). Физические исследования относятся к магнетизму, капиллярности, теории упругости, гидромеханике, теории колебаний, теории света. Член Петербургской академии наук (с 1826 года)

КОНЕЦ

Интерференция и дифракция света кратко о явлении – формулы с примерами решений (9 класс)

4.4

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 432.

4.4

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 432.

Из курса физики 9 класса известно, что свет -— это электромагнитное излучение с короткой длиной волны. И как любому волновому процессу, свету свойственны волновые явления, в частности интерференция и дифракция. Поговорим кратко о явлении интерференции и дифракции света.

Интерференция света

Интерференция — это сложение в пространстве двух волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд колебаний среды.

Такое постоянное во времени распределение возможно лишь только в том случае, если складывающиеся волны будут иметь одинаковую длину волны, и разность фаз источников будет постоянной (то есть волны будут когерентными). В этом случае в разных точках пространства условия сложения волн будут различны, но постоянны. Это приведет к тому, что в одном месте волны будут складываться, а в другом — вычитаться. В случае света возникнет интерференционная картина: чередование темных и светлых областей. Какая именно область будет в данной точке, зависит от того, какое расстояние прошла от источника каждая волна.

В точке будет наблюдаться максимум интерференционной картины, если разность хода двух волн будет равна целому числу длин волн ($Δd=\pm k \lambda$).

Минимум интерференционной картины будет наблюдаться, если разность хода составит нечетное число полуволн $$Δd=\pm (2k+1){ \lambda \over 2}$$.

Легче всего наблюдать интерференцию света на тонких пленках (к примеру, на пленке мыльного пузыря или масла на воде). Световая волна, частично отражаясь от разных сторон пленки, складывается и вычитается в соответствии с указанными формулами. В результате мы можем видеть чередование светлых и темных областей на пленке. При этом, если свет белый, представляющий собой смесь основных цветов спектра, то условия максимума и минимума будут разными для разной длины волн, и интерференционные переливы будут радужными.

Рис. 1. Радужный рисунок мыльной пленки.

Дифракция света

Другим волновым явлением, которое демонстрирует свет, является дифракция.

Дифракция — это огибание волнами препятствий и искривление прямолинейного направления их распространения.

Проще всего наблюдать дифракцию света, если свет от удаленного источника перекрыть непрозрачной шторкой с маленьким круглым отверстием. Далее на экране размер светового пятна будет отличаться от размера отверстия, нарушая линейное распространение световых волн.

Другим свидетельством дифракции света является предел увеличения микроскопа. Если рассматриваемый объект слишком мал, то световые волны начинают его огибать, и увидеть его становится невозможно.

Рис. 2. Дифракция света.

Опыт Юнга

Для наблюдения явления интерференции и дифракции света в 1802 г. Т. Юнг поставил опыт, ставший классическим.

Сперва свет пропускался сквозь первое небольшое отверстие, за которым, в соответствии с принципом Гюйгенса, образовывалась сферическая световая волна. А затем эта волна пропускалась через два расположенных рядом маленьких отверстия. Поскольку на два отверстия падала одна и та же волна, волны за этими отверстиями были когерентными и при наложении давали интерференционную картину чередования темных и светлых полос.

В результате можно было видеть оба явления: дифракцию световых волн, выходящих из двух отверстий, и их интерференцию на экране.

Рис. 3. Опыт Юнга по дифракции.

Что мы узнали?

Интерференция — это сложение двух распространяющихся в пространстве волн одинаковой длины волны. Дифракция — это отклонение распространения волны от прямолинейного, а также огибание ею препятствий. Поскольку свет — это электромагнитная волна, он демонстрирует оба этих явления.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Владимир Карафизи

  10/10

Оценка доклада

4.4

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 432.

---

А какая ваша оценка?

4 Применение расширенного лазерного дифракционного анализа

4 Применение расширенного лазерного дифракционного анализа

Частицы преломляют свет под определенным углом в зависимости от их размера, создавая дифракционную картину из светлых и темных кругов. Измерение интенсивности света в широком диапазоне углов позволяет аналитикам определять распределение частиц по размерам. Лазерный дифракционный анализ работает по этому общему принципу.

Теория дифракции Густава Ми используется во множестве приложений для рассеяния света, включая анализ лазерной дифракции. Для получения точных данных требуются некоторые знания об оптических свойствах частиц и взвешенной жидкости. Аппроксимация теории Ми Фраунгофером была разработана для приложений, в которых размер частицы больше, чем длина волны дифрагированного света. Это устранило необходимость в предварительном знании оптических свойств, поскольку они минимально влияют на данные.

Фраунгоферовское приближение теории Ми обычно используется для измерения частиц размером до 30 мкм. Чтобы обеспечить надежные и точные измерения распределения частиц по размерам, требуется хорошее разрешение угловой картины дифрагированного света, а также большое количество детекторов (> 100).

По мере уменьшения размера частиц угол, под которым преломляется свет, увеличивается, а интенсивность уменьшается, что затрудняет определение фактического угла преломления. Менее 1 мкм практически невозможно отличить свет от частиц разного размера, а менее 0,4 мкм невозможно. Использование более чем одной длины волны света помогает количественно оценить это, но лишь незначительно, и некоторые приборы используют процедуры типа подгонки кривой для оценки данных ниже пределов измерения.

Субмикронные частицы рассеивают поляризованный свет по-разному в зависимости от поляризации и длины волны. Расширенный анализ лазерной дифракции использует это свойство для получения реальных измеренных распределений размеров, а не оценок до 10 нм (0,01 мкм). Он измеряет интенсивность поляризованного света на 3 дополнительных длинах волн. Разница в интенсивности между вертикально поляризованным и горизонтально поляризованным светом (дифференциальное рассеяние интенсивности поляризации — PIDS) дает информацию о количестве и размерах частиц в этой области. Это может быть интегрировано в расчет теории Ми для количественных измерений распределения размеров.

Этот расширенный диапазон измерений обеспечивает основу для динамической характеристики материалов и измерения частиц в широком спектре промышленных, академических и коммерческих секторов.

В этом сообщении блога рассматриваются пять распространенных приложений расширенного лазерного дифракционного анализа.

1. Исследования почвы

Лазерные дифракционные анализаторы размера частиц LS 13320 серии LS 13320 используются для измерения размера частиц или зерен в образцах почвы и отложений, что может указывать на то, как сформировалась почва.

2. Размер пигмента

Лазерный дифракционный анализ с дифференциальным рассеянием по интенсивности поляризации (PIDS) позволяет измерять частицы вплоть до нанометрового масштаба (нм) путем последовательного освещения образца светом с различной длиной волны. Этот метод использовался для надежного определения размера частиц пигмента размером до 10 нм.

3. Контроль качества химических соединений

Усовершенствованный лазерный дифракционный анализ уникально подходит для приложений контроля качества (КК) с превосходным разрешением и непревзойденным динамическим диапазоном по сравнению с традиционными методами лазерной дифракции. Он обеспечивает быструю оценку распределения частиц по размерам в порошкообразных или жидких образцах с более чем 100 световыми детекторами, позволяющими разрешать тонкие различия в размерах частиц.

4. Исследования и разработки

Лазерный дифракционный анализ для целей НИОКР может быть сложным, поскольку некоторые инструменты требуют предварительного знания характеристик размера частиц образца, например, ожидается ли один пик частиц или их может быть более одна популяция частиц, таких как агрегаты. Усовершенствованный лазерный дифрактометр LS 13320 этого не делает. Программное обеспечение выполняет комплексный и всесторонний анализ дифракционных картин, чтобы обеспечить точное распределение частиц по размерам без необходимости оператору угадывать ожидаемый результат.

Расширенный лазерный дифракционный анализ с Meritics

Meritics является ведущим поставщиком в Великобритании приборов для анализа частиц для широкого спектра применений. Мы работаем с производителями передовых технологий, чтобы предоставить самые передовые системы измерения.

LS 13 320 XR — это наш самый совершенный инструмент для лазерного дифракционного анализа. Он способен работать во всех вышеупомянутых приложениях и даже больше. Если вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Медицинское применение дифракционной визуализации

. 1998 августа; 10 (3-4): 197-207.

doi: 10.3233/bd-1998-103-419.

Д Чепмен ¹ , E Pisano, W Thomlinson, Z Zhong, R E Johnston, D Washburn, D Sayers, K Malinowska

принадлежность

• ¹ CSRRI, Иллинойский технологический институт, 3101 Южный Дирборн, Чикаго, Иллинойс 60616, США. [email protected]

• PMID: 15687575
• DOI: 10.3233/бд-1998-103-419

Д. Чепмен и соавт. Грудь Дис. 1998 авг.

. 1998 августа; 10 (3-4): 197-207.

дои: 10.3233/бд-1998-103-419.

Авторы

Д Чепмен ¹ , Э. Пизано, В. Томлинсон, З. Чжун, Р. Э. Джонстон, Д. Уошберн, Д. Сэйерс, К. Малиновска

принадлежность

• ¹ CSRRI, Иллинойский технологический институт, 3101 Южный Дирборн, Чикаго, Иллинойс 60616, США. [email protected]

• PMID: 15687575
• DOI: 10.3233/бд-1998-103-419

Абстрактный

Мы разработали новый метод рентгеновской визуализации, визуализацию с усилением дифракции (DEI), которую можно использовать для независимой визуализации преломления и поглощения объекта. Изображения почти полностью лишены рассеяния, что позволяет повысить контрастность объектов, имеющих малоугловое рассеяние. Комбинация этих свойств привела к получению изображений маммографических фантомов и тканей, контрастность которых значительно улучшилась по сравнению со стандартными методами визуализации. Эта методика потенциально применима к маммографии и другим областям медицинской рентгенографии и к радиологии в целом, а также возможно использование в неразрушающем контроле и рентгеновской компьютерной томографии. Представлены изображения различных тканей и материалов, чтобы продемонстрировать широкую применимость этого метода для медицинской и биологической визуализации.

Похожие статьи

• Рентгеновское изображение с дифракционным усилением.

  Чепмен Д., Томлинсон В., Джонстон Р.Э., Уошберн Д., Пизано Э., Гмур Н., Чжун З., Менк Р., Арфелли Ф., Сайерс Д. Чепмен Д. и др. физ.-мед. биол. 1997 ноябрь;42(11):2015-25. дои: 10.1088/0031-9155/42/11/001. физ.-мед. биол. 1997. PMID: 9394394

• КТ высокого разрешения с дифракционной рентгеновской визуализацией: картирование образцов ткани молочной железы и сравнение с их гистопатологией.

  Бравин А., Кейриляйнен Дж., Фернандес М., Фидлер С., Немоз С. , Карьялайнен-Линдсберг М.Л., Тенхунен М., Вирккунен П., Лейдениус М., фон Смиттен К., Сипиля П., Суортти П. Бравин А. и др. физ.-мед. биол. 2007 21 апреля; 52 (8): 2197-211. дои: 10.1088/0031-9155/52/8/011. Epub 2007 29 марта. физ.-мед. биол. 2007. PMID: 17404464

• Дифракционно-усиленное изображение свиного глаза.

  Келли М.Э., Coupal DJ, Beavis RC, Schultke E, Romanchuk K, Juurlink BH, Zhong Z, Chapman LD. Келли М.Е. и соавт. Может J Офтальмол. 2007 г., октябрь; 42 (5): 731-3. дои: 10.3129/i07-132. Может J Офтальмол. 2007. PMID: 17823643

• Измерение контраста изображения с использованием дифракционной визуализации.

  Kiss MZ, Sayers DE, Zhong Z. Кисс М. З. и др. физ.-мед. биол. 2003 г., 7 февраля; 48 (3): 325-40. дои: 10.1088/0031-9155/48/3/304. физ.-мед. биол. 2003. PMID: 12608610

• «Фазово-контрастная рентгеновская визуализация с помощью рентгеновского интерферометра для медицинских приложений».

  Такэда Т., Ёнеяма А., Момосе А., Ву Дж., Зения Т., Лвин Т.Т., Цучия Й., Рао Д.В., Хёдо К., Хирано К., Айёси Й., Итай Ю. Такеда Т. и др. Игаку Буцури. 2002;22(1):30-7. Игаку Буцури. 2002. PMID: 12766294 Обзор. Японский язык.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Синхротронная фазовая томография: новый метод визуализации для обнаружения микрососудов в искусственных костях черепно-лицевых областей.

  Джулиани А., Маццони С., Меле Л., Ликкардо Д., Тромба Г., Лангер М. Джулиани А. и др. Фронт Физиол. 2017 сен 29;8:769. doi: 10.3389/fphys.2017.00769. Электронная коллекция 2017. Фронт Физиол. 2017. PMID: 29085301 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Визуализация фиброза печени с помощью фазово-контрастной рентгенографии у мышей с перевязанными общими желчными протоками.

  Zhang X, Yang XR, Chen Y, Li HQ, Li RM, Yuan QX, Zhu PP, Huang WX, Peng WJ. Чжан X и др. Евро Радиол. 2013 фев; 23 (2): 417-23. doi: 10.1007/s00330-012-2630-z. Epub 2012 19 августа. Евро Радиол. 2013. PMID: 22903640

• Синхротронное излучение в лечении и диагностике рака: обзор.

  Хиль С.

  No related posts.