THÍ NGHIỆM CÁCH TỬ NHIỄU XẠ

TRỪỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÍ ĐỀ TÀI: THÍ NGHIỆM CÁCH TỬ NHIỄU XẠ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TRẦN VĂN TẤN (Lý thuyết) NGUYỄN THỊ HẢO (Bài tập) SINH VIÊN THỰC HIỆN: TRẦN THỊ TÚ ANH NGUYỄN THỊ THÙY DƯƠNG LÂM THỊ MỸ HẠNH NGUYỄN THỊ DIỂM HƯƠNG TP.HỒ CHÍ MINH THÁNG 5-2012 Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ MỤC LỤC MỤC LỤC .2 Ι CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ι.1.Nhiễu xạ ? .3 Ι.2.Cách tử ? .3 Ι.3.Mô tả cách tử: .3 Ι.4 Sự phân bố điều kiện sáng Ι.4.1 Biểu thức biên độ Ι.4.2 Điều kiện cực đại cực tiểu .4 Ι.5 Góc lệch cực tiểu ΙΙ THÍ NGHIỆM CÁCH TỬ NHIỄU XẠ ΙΙ.1 Mục đích thí nghiệm ΙΙ.2 Mô tả tí nghiệm ΙΙ.3 Cách tiến hành ΙΙ.2.1 Điều chỉnh ống chuẩn trực kính ngắm ΙΙ.3.2 Xác định n vạch cách tử ΙΙ.3.3 Dùng ảnh nhiễu xạ bậc bậc xác định bước sóng vài đơn sắc ΙΙΙ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM .9 ΙΙΙ.1 Xác định số vạch n mm cách tử ΙΙΙ.1.1 Dùng quang phổ bậc 1: ΙΙΙ.1.2 Dùng quang phổ bậc 2: .10 ΙΙΙ.2 Xác định bước sóng số vạch (màu lục đậm chàm đậm) .12 ΙΙΙ.2.1 Vạch màu chàm đậm: 12 ΙΙΙ.2.2 Vạch màu xanh cây: 12 ΙV KẾT LUẬN 13 Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Ι CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ι.1.Nhiễu xạ ? Nhiễu xạ tượng tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng gần chướng ngại vật có kích thước nhỏ (các chướng ngại vật khe hẹp, lỗ tròn,… có kích thước cỡ bước song ánh sáng chiếu tới Ι.2.Cách tử ? Cách tử nhiễu xạ thiết bị quang học sử dụng để tìm hiểu bước sóng khác màu sắc chùm ánh sáng  Cách tử truyền qua: thủy tinh có rãnh không su ốt, ánh sáng truyền qua phần suốt gây nhiễu xạ (chỉ nghiên cứu cho ánh sang nhìn thấy)  Cách tử phản xạ: tạo kim loại phẳng, nhẵn bóng có hệ số phản xạ cao, mặt vạch rãnh nhỏ cách (dung đẻ nghiên cứu tia tử ngoại) Ι.3.Mô tả cách tử: - Là hệ thống gồm n khe giống hệt có bề rộng a cách với khoảng cách khe liên tiếp l l: chu kỳ cách tử ; = n: số cách tử đơn vị độ dài Cấu tạo cách tử tinh vi, bề rộng mm có đến hàng trăm, hàng ngàn khe,… Có nhiều loại cách tử có cấu tạo riêng biệt dựa nguyên tắc: mặt song chùm tia sang tới chia thành phần đặn, truyền qua bị ngăn lại cách tử Ι.4 Sự phân bố điều kiện sáng Ι.4.1 Biểu thức biên độ Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ = A0 Ι.4.2 Điều kiện cực đại cực tiểu a.Vị trí cực tiểu nhiễu xạ: b.Vị trí cực đại gjao thoa: (k= c.Vị trí cực đại phụ giao thoa: (k=1,2,…) d.Vị trí cực tiểu giao thoa: (k= Ι.5 Góc lệch cực tiểu Góc lệch cực tiểu cách xác định góc lệch cực tiểu Tại O vân sáng trung tâm màu trắng hai bên vân trung tâm ảnh khe sáng, ảnh nhiễu xạ bậc 1, 2, Gọi io góc tới i góc nhiễu xạ λ độ dài sóng dùng (tính mm) ta có công thức xác định cực đại giao thoa thứ k (vân giao thoa n chùm tia nhiễu xạ) sin i - sin io = k λ n (1) Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Nếu ta quay dĩa theo chiều định đển thay đổi góc tới i, ảnh nhiễu xạ dời chổ đến lúc dừng lại chạy trở lui Vị trí dừng lại vị trí độ lệch cực tiểu Gọi Dm góc lệch cực tiểu ta có : i = io= Dm D 2.sin m = k λ n 2 (2) Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ ΙΙ THÍ NGHIỆM CÁCH TỬ NHIỄU XẠ ΙΙ Mục đích thí nghiệm − Đo số vạch n mm cách tử cách dùng ánh sáng biết trước bước sóng ánh sáng − Đo vài bước sóng ánh sáng chưa biết ΙΙ Mô tả tí nghiệm -Nguồn sáng: nguồn halogen - Giác kế +Kính ngắm +Ống chuẩn trực +Bàn phẳng +Đĩa chia độ du xích -Cách tử (chưa biết n) ΙΙ.3 Cách tiến hành ΙΙ.2.1 Điều chỉnh ống chuẩn trực kính ngắm - Đặt ống chuẩn trực quay ngoài, qua kính ngắm ta nhìn xa vô cực để xác định vị trí ngắm cho ảnh ngắm rõ - Sau đó, đặt ống chuẩn trực thẳng hàng với đường truyền tia sáng đèn Neon thủy ngân ΙΙ.3.2 Xác định n vạch cách tử Dùng ảnh nhiễu xạ bậc ảnh nhiễu xạ bậc để xác định n + Dùng ảnh nhiễu xạ bậc 1(k=1)  Dùng kính ngắm để tìm quang phổ bậc bên phải - Đặt cách tử đĩa xoay giác kế (hơi xoay bên trái) Mắt nhìn qua ống ngắm, ta quan sát thấy vạch sáng trắng, xoay ống ngắm từ từ sang bên phải, quan sát thấy quang phổ bâc một, thấy vạch màu vàng kép, ta điều chỉnh cho tâm chữ X kính ngắm trùng với vạch vàng (vạch gần vạch màu đỏ) Sau xoay thật nhẹ cách tử theo ngược chiều kim đồng hồ cho vạch màu vàng di chuyển sang bên trái Chú ý quan sát vạch màu vàng dừng lại đổi chiều di chuyển ngược lại Tại thời điểm dừng lại vạch vàng, ta từ từ quay ống ngắm để tâm ống ngắm trung với vạch màu vàng lúc nảy - Tiếp theo, ta đọc số góc lệch kính ngắm vòng tròn giác kế  Dùng kính ngắm để tìm quang phổ bậc bên trái - Thực tương tự tìm quang phổ bậc bên phải, thực bước theo chiều ngược lại Ta tìm góc lệch vạch vàng Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Ta có: = 2D i = io = Từ (1) (2) => sin ( Với k = => (1) 2.sin = k.λ.n (2) α −α ' ) = k λ n (3) = (4) + Dùng ảnh nhiễu xạ bậc (k=2)  Dùng kính ngắm để tìm quang phổ bậc bên phải - Đặt cách tử đĩa xoay giác kế (hơi xoay bên trái) Mắt nhìn qua ống ngắm, ta quan sát thấy vạch sáng trắng, xoay ống ngắm từ từ sang bên phải, quan sát thấy quang phổ bâc một, xoay tiếp ống ngắm ta quan sát thấy quang phổ bậc 2, thấy vạch màu vàng kép, ta điều chỉnh cho tâm kính ngắm trùng với vạch vàng (vạch gần vạch màu đỏ) Sau xoay thật nhẹ cách tử theo ngược chiều kim đồng hồ cho vạch màu vàng di chuyển sang bên trái Chú ý quan sát vạch màu vàng dừng lại đổi chiều di chuyển ngược lại Tại thời điểm dừng lại vạch vàng, ta từ từ quay ống ngắm để tâm ống ngắm trùng với vạch màu vàng lúc nảy - Tiếp theo, ta đọc số góc lệch kính ngắm vòng tròn giác kế  Dùng kính ngắm để tìm quang phổ bậc bên trái - Thực tương tự tìm quang phổ bậc bên phải, thực bước theo chiều ngược lại Ta tìm góc lệch vạch vàng Từ công thức (3): với k = ta có: =  Sai số n α −α ' n = sin( ) λ Từ công thức Suy ra: = + cotan () d() Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Suy ra: = + cotan () ∆ (α − α ') Có thể lấy ∆λ = A0 Sai số ∆(α - α’) gồm sai số lúc ngắm sai số lúc đọc  Đối với ảnh bậc ta lấy ∆(α - α’) = phút  Đối với ảnh bậc ta lấy ∆(α - α’) = phút (vì ảnh mờ hơn) ΙΙ.3.3 Dùng ảnh nhiễu xạ bậc bậc xác định bước sóng vài đơn sắc Trong TN ta đo bước sóng vạch lục đậm chàm đậm λ= α −α ' sin( ) n.k Từ (3) ta có công thức tính bước sóng:  Dùng ảnh nhiễu xạ bậc xác định bước sóng vạch chàm đậm: (k = 1) α −α ' λ = sin( ) n1  Dùng ảnh nhiễu xạ bậc xác định bước sóng vạch lục đậm: (k = 2) α −α ' λ = sin( ) n2 Muốn xác định bước sóng ánh sáng cần tìm, ta đo giá trị α α’ ứng với sáng  Sai số λ α −α ' λ = sin( ) n Từ công thức dλ dn = + cotan () d() λ n ∆λ ∆n ∆ (α − α ') Suy ra: = + cotan () λ n Sai số ∆(α - α’) gồm sai số lúc ngắm sai số lúc đọc  Đối với ảnh bậc ta lấy ∆(α - α’) = phút  Đối với ảnh bậc ta lấy ∆(α - α’) = phút (vì ảnh mờ hơn) Suy ra:  Dùng ảnh nhiễu xạ bậc xác định bước sóng vạch chàm đậm: (k=1) + Dùng kính ngắm để tìm quang phổ bậc bên phải - Đặt cách tử đĩa xoay giác kế (hơi xoay bên trái) Mắt nhìn qua ống ngắm, ta quan sát thấy vạch sáng trắng, xoay ống ngắm từ từ sang bên phải, quan sát thấy quang phổ bâc một, thấy vạch màu chàm đậm, ta điều chỉnh cho tâm kính ngắm trùng với vạch chàm Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ đậm Sau xoay thật nhẹ cách tử theo ngược chiều kim đồng hồ cho vạch màu chàm đậm di chuyển sang bên trái Chú ý quan sát vạch màu chàm đậm dừng lại đổi chiều di chuyển ngược lại Tại thời điểm dừng lại vạch chàm đậm, ta từ từ quay ống ngắm để tâm ống ngắm trung với vạch màu chàm đậm lúc nảy - Tiếp theo, ta đọc số góc lệch kính ngắm vòng tròn giác kế + Dùng kính ngắm để tìm quang phổ bậc bên trái - Thực tương tự tìm quang phổ bậc bên phải, thực bước theo chiều ngược lại Ta tìm góc lệch vạch chàm đậm λ=  Dùng ảnh nhiễu xạ bậc xác định bước sóng vạch lục đậm: (k=2) + Dùng kính ngắm để tìm quang phổ bậc bên phải - Đặt cách tử đĩa xoay giác kế (hơi xoay bên trái) Mắt nhìn qua ống ngắm, ta quan sát thấy vạch sáng trắng, xoay ống ngắm từ từ sang bên phải, quan sát thấy quang phổ bâc một, xoay tiếp thấy quan phổ bậc 2, thấy vạch màu lục đậm, ta điều chỉnh cho tâm kính ngắm trùng với vạch lục đậm Sau xoay thật nhẹ cách tử theo ngược chiều kim đồng hồ cho vạch màu lục đậm di chuyển sang bên trái Chú ý quan sát vạch màu lục đậm dừng lại đổi chiều di chuyển ngược lại Tại thời điểm dừng lại vạch lục đậm, ta từ từ quay ống ngắm để tâm ống ngắm trung với vạch màu lục đậm lúc nảy - Tiếp theo, ta đọc số góc lệch kính ngắm vòng tròn giác kế + Dùng kính ngắm để tìm quang phổ bậc bên trái - Thực tương tự tìm quang phổ bậc bên phải, thực bước theo chiều ngược lại Ta tìm góc lệch vạch lục đậm λ= ΙΙΙ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ΙΙΙ.1 Xác định số vạch n mm cách tử ΙΙΙ.1.1 Dùng quang phổ bậc 1: Chọn λ vàng = 5790( A0) Lần đo α α' 255’37’0” 275’33’0” n1 = α −α ' sin( ) λ Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Trung bình 255’38’0” 255’36’0” α = 255’37’0” 275’31’0” 275’30’0” α ' =275’31’3”  Tính ∆ n1 n1 = α −α ' sin( ) λ Từ công thức Suy ra: = + cotan () d() Suy ra: = + cotan () ∆ (α − α ') Có thể lấy ∆λ = A0 Sai số ∆(α - α’) gồm sai số lúc ngắm sai số lúc đọc  Đối với ảnh bậc ta lấy ∆(α - α’) = phút  Đối với ảnh bậc ta lấy ∆(α - α’) = phút (vì ảnh mờ hơn) Từ ta có: ∆ n1 =  Vậy: = 299 = 0.71 vạch/mm ΙΙΙ.1.2 Dùng quang phổ bậc 2: Chọn λ vàng = 5790 A0 Lần đo Trung bình α 245’33’0” 245’35’0” 245’31’0” α = 245’33’0” α' 285’33’0” 285’31’0” 285’32’0” α ' =285’32’0” n2 = α −α ' sin( ) λ = 300 ( vạch/mm ) Tính 10 Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Vậy: = 300 0.7 vạch/mm 11 Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ ΙΙΙ.2 Xác định bước sóng số vạch (màu lục đậm chàm đậm) ΙΙΙ.2.1 Vạch màu chàm đậm:  Dùng quang phổ bậc 1: α Lần đo 258’5’0” 258’3’0” 258’4’0” Trung α = 258’4’0” bình α' 273’3’0” 273’2’0” 273’5’0” α ' = 273’3’3” λ= α −α ' sin( ) n1 = 4370,2 ( A0)  Tính ∆ λ (lưu ý: ảnh bậc ta lấy ∆(α - α’) = phút  Vậy: λ = λ ± ∆ λ = 4370.2 ± 69 A0 ΙΙΙ.2.2 Vạch màu xanh cây:  Dùng quang phổ bậc 2: α Lần đo 248’4’0” 248’6’0” 248’5’0” Trung bình α = 248’5’0” α' 283’4’0” 283’5’0” 283’7’0” α ' =283’5’3” λ= α −α ' sin( ) n2 = 5203,1 ( A0)  Tính ∆ λ (lưu ý: ảnh bậc ta lấy ∆(α - α’) = phút  Vậy: λ = λ ± ∆ λ = 5203,1 ± 55,78 A0 12 Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Ι V KẾT LUẬN  Trong giao thoa có nhiễu xạ  Thông qua thí nghiêm ta xác định số vạch n mm cách tử, đồng thời xác định bước sóng số vạch sáng màu • Cách tử dùng thí nghiệm có n=300 vạch/ mm • Xác định bước sóng số ánh sáng nhìn thấy : − Vạch màu chàm tím có bước sóng là: λ = λ ± ∆ λ = 4370.2 ± 69 A0 − Vạch màu xanh có bước sóng là: λ = λ ± ∆ λ = 5203,1 ± 55,78 A 13 [...]... ảnh bậc 2 ta lấy ∆(α - α’) = 4 phút  Vậy: λ = λ ± ∆ λ = 5203,1 ± 55,78 A0 12 Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Ι V KẾT LUẬN  Trong giao thoa có nhiễu xạ  Thông qua thí nghiêm ta có thể xác định được số vạch n trên từng mm của một cách tử, đồng thời cũng xác định được bước sóng của một số vạch sáng màu • Cách tử dùng trong thí nghiệm có n=300 vạch/ mm • Xác định được bước sóng của một số ánh sáng nhìn thấy.. .Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Vậy: = 300 0.7 vạch/mm 11 Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ ΙΙΙ.2 Xác định bước sóng của một số vạch (màu lục đậm và chàm đậm) ΙΙΙ.2.1 Vạch màu chàm đậm:  Dùng quang phổ bậc 1: α Lần đo 1 258’5’0” 2 258’3’0” 3 258’4’0” ... số vạch (màu lục đậm chàm đậm) .12 ΙΙΙ.2.1 Vạch màu chàm đậm: 12 ΙΙΙ.2.2 Vạch màu xanh cây: 12 ΙV KẾT LUẬN 13 Thí nghiệm cách tử nhiễu xạ Ι CƠ SỞ LÝ THUYẾT... ΙΙ.2.1 Điều chỉnh ống chuẩn trực kính ngắm - Đặt ống chuẩn trực quay ngoài, qua kính ngắm ta nhìn xa vô cực để xác định vị trí ngắm cho ảnh ngắm rõ - Sau đó, đặt ống chuẩn trực thẳng hàng với đường... λ (lưu ý: ảnh bậc ta lấy ∆(α - α’) = phút  Vậy: λ = λ ± ∆ λ = 4370.2 ± 69 A0 ΙΙΙ.2.2 Vạch màu xanh cây:  Dùng quang phổ bậc 2: α Lần đo 248’4’0” 248’6’0” 248’5’0” Trung bình α = 248’5’0” α'