Чим відрізняється дифракційна. Максимальний порядок спектру при дифракції

В оптиці розрізняють дифракційний та дисперсійний світлові спектри. У чому особливості?

Що таке дифракційний спектр?

Цей спектр утворюється при проходженні світла через безліч невеликих отворів або щілин. Так, його можна розглянути, якщо примружитися і подивитися на сонце чи лампу. Якщо звернути увагу на місяць взимку в мороз, то навколо нього нескладно побачити різнокольорові кола: вони також є дифракційними спектрами. У разі вони утворюються внаслідок проходження світла через замерзлі частки води у атмосфері. З метою проведення наукових експериментів свого роду еталонні дифракційні спектри створюються за допомогою спеціальних дифракційних ґрат.

Дифракційний спектр

Вигляд спектра, що розглядається, характеризується відхиленням променів, яке є пропорційним показником довжини хвилі. Тому ультрафіолетові, а також фіолетові промені спектра, які мають короткі хвилі, відхиляються найменшою мірою. У свою чергу, довгохвильові червоні та інфрачервоні – навпаки. Можна зазначити, що аналізований спектр більшою міроюрозтягнутий у бік довгохвильових променів.

Що таке дисперсійний спектр?

Цей спектр утворюється в результаті заломлення світла - наприклад, при його проходженні через призму. Виглядає він таким чином, як сукупність світлових смуг різного кольору. Дисперсія світла є розкладання його потоку, що має білий колір, на монохроматичні промені, які формують світловий спектр.

В історії фізики відомий чудовий факт: до того, як був відкритий дисперсійний спектр, була поширена думка, що біле світло забарвлюється при проходженні через призму. Виявилось, що це не так.

У дисперсійному спектрі найбільше відхилення при заломленні властиво фіолетовим променям. Розтягується аналізований спектр більш рівномірно, ніж дифракційний, - по всіх типах променів, але при цьому найбільшою мірою - у бік короткохвильових.

Порівняння

Головна відмінність дифракційного спектру від дисперсійного полягає в тому, що перший спектр утворюється в результаті проходження світла через вузькі отвори (та інші не перешкоджають проходженню променів області між деякими близько розташованими об'єктами), а другий - в результаті його заломлення (наприклад, внаслідок проходження через призму ).

Також між спектрами, що розглядаються, можуть спостерігатися відмінності з точки зору:

• відхилення червоних та фіолетових променів;
• ступеня розтягування спектра;
• ступеня розтягування спектра щодо червоних та фіолетових променів.

Більш наочно відобразити те, у чому різниця між дифракційним та дисперсійним спектром полягає з погляду зазначених параметрів, нам допоможе невелика таблиця.

Більшість фактичних відомостей про навколишні явища і природу отримані людиною за допомогою сприйняття за допомогою органів зорового сприйняття, які створені світлом. Явлення світла, що вивчаються у фізиці, розглядаються у розділі Оптика.

За своєю природою світло є явищем електромагнітним, а це говорить про одночасний прояв як хвильових (інтерференція, дифракція, дисперсія), так і квантових властивостей (фотоефект, люмінесценція).
Розглянемо дві важливі хвильові властивості світла: дифракцію та дисперсію.

Поняття світлового променя широко використовують у геометричній оптиці. Таким явищем вважається вузький пучок світла, що поширюється прямолінійно. Подібне поширення світла в однорідному середовищі для нас здається таким звичайним, що сприймається як очевидне. Досить переконливим підтвердженням цього закону може бути утворення тіні, що з'являється за непрозорою перешкодою, яка стоїть на шляху світла. А світло своєю чергою випромінюється точковим джерелом.

Явища, що виникають при поширенні світла серед з різко вираженими неоднорідностями, є дифракцією світла.

Отже, дифракцією називають сукупність явищ, які зумовлені огинанням світловими променями перешкод, які трапляються з їхньої шляху (у широкому значенні: будь-яке відхилення від законів геометричної оптики під час поширення хвиль і потрапляння в ділянки геометричної тіні).

Дифракція чітко проявляється у разі, коли параметри неоднорідності (прорізи решітки) пропорційні довгій хвилі. Якщо розміри занадто великі, вона спостерігається лише з значних відстанях від неоднорідності.

При обгинанні неоднорідностей світловий промінь розкладається у спектр. Спектр розкладання, отриманий при даному явищі називається дифракційним спектром. Дифракційний спектр ще називають ґратчастим.

Різним швидкостям поширення хвиль відповідають різні абсолютні показники заломлення середовища. З досліджень Ньютона випливає, що абсолютний показник заломлення збільшується зі зростанням частоти світла. З часом учені встановили той факт, що при розгляді світла як хвилі кожен колір необхідно ставити у відповідність довжині хвилі. Важливим є те, що ці довжини хвиль змінюються безперервно, відповідаючи різним відтінкам кожного кольору.

Якщо тонкий пучок сонячного світла направити на скляну призму, то в ній після заломлення можна спостерігати розкладання білого світла (біле світло – сукупність електромагнітних хвиль з різною довгою хвилі) у різнокольоровий спектр: сім основних кольорів – червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий кольори. Всі ці кольори плавно переходять один до одного. Найменшою мірою від початкового напрямку відкланяються червоні промені, а більшою – фіолетові.

Цим можна пояснити виникнення забарвлення предметів різними кольорами, оскільки біле світло є сукупністю різних кольорів. Наприклад, колір листя рослин, зокрема зелений колір, обумовлений тим, що на поверхні листя відбувається поглинання всіх кольорів крім зеленого кольору. Саме його ми й бачимо.

Отже, дисперсія – явище, яке характеризує залежність заломлення речовини від довжини хвилі. Якщо говорити про світлові хвилі, то дисперсія дисперсією називають явище залежності швидкості світла (а також показника заломлення світла речовиною) від довжини (частоти) світлового променя. Завдяки дисперсії біле світло розкладається у спектр при проходженні через скляну призму. Саме тому подібним чином отриманий спектр називають дисперсійним. На виході з призми ми отримаємо розширену світлову смугу з забарвленням, яке безперервно (плавно) змінюється. Дисперсійний спектр ще називають призматичним.

Дифракційний та дисперсійний спектри

Ми розглянули явища дифракції та дисперсії, а також їх наслідки – отримання дифракційного та дисперсійного спектрів. Тепер звернемо особливу увагу на їхні відмінності.

Способи отримання спектрів:

• Дифракційний спектр: часто отриманий за допомогою так званих дифракційних грат. Вона складається зі смуг прозорих і непрозорих (або відбивають і невідбивають). Ці лінії чергуються з періодом, значення якого залежить від довжини хвилі. При попаданні на решітку світло розбивається на пучки, котрим спостерігається явище дифракції і розкладання світла спектр.
• Дисперсійний спектр: на відміну від дифракційного, отриманий в результаті проникнення світлової хвилі крізь речовину (призму). В результаті проходження монохроматичні хвилі зазнають заломлення, причому кут заломлення буде різним.

Розподіл та характер кольорів у спектрах:

• Дифракційний спектр: від першого до останнього у спектрі кольору розташовуються рівномірно. І виявляються від фіолетового до червоного, а саме в порядку зростання.
• Дисперсійний спектр: у червоній частині спектру стиснутий, а у фіолетовому – розтягнутий. Кольори розташовуються в порядку від червоного до фіолетового, тобто в порядку зменшення, на відміну від зростання дифракційного спектру.

Заключні відомості

Отже, розглянуті характеристики показують, що дифракційна картина значною мірою залежить від довжини хвилі світла, яке огинає перешкоду. Тому, якщо світло немонохроматичний (наприклад, біле світло, що розглядається нами), то дифракційні максимуми інтенсивності для різних довжин хвиль просто розійдуться, при цьому вони утворюють дифракційний спектри. Вони мають значну перевагу перед спектрами, які виникають внаслідок дисперсії променів, що проходять крізь призму. Взаємне розташування квітів вони залежить від властивостей матеріалів, у тому числі виготовлені екрани і щілини решітки, а визначається однозначно лише довжинами хвиль і геометрією приладу (наприклад, призми) і може бути розраховане виключно з геометричних міркувань.

ВИЗНАЧЕННЯ

Дифракційним спектромназивають розподіл інтенсивності на екрані, що виходить у результаті дифракції.

При цьому основна частина світлової енергії зосереджена у центральному максимумі.

Якщо як прилад, що розглядається, за допомогою якого здійснюється дифракція, взяти дифракційні грати, то з формули:

(де d - постійна решітки; - кут дифракції; - довжина хвилі світла; . - ціле число), слід, що кут під яким виникають головні максимуми пов'язаний з довжиною хвилі падаючого на решітку світла (світло на решітку падає нормально). Це означає, що максимуми інтенсивності, що дає світло різної довжини хвилі, виникають у різних місцях простору спостереження, що дає змогу застосовувати дифракційні грати як спектральний прилад.

Якщо на дифракційну решітку падає біле світло, то всі максимуми за винятком центрального максимуму розкладаються в спектр. З формули (1) випливає, що положення максимуму порядку можна визначити як:

З виразу (2) випливає, що зі збільшенням довжини хвилі відстань від центрального максимуму до максимуму з номером m збільшується. Виходить, що фіолетова частина кожного головного максимуму звернена до центру картини дифракції, а червона область назовні. Слід згадати, що при спектральному розкладанні білого світла фіолетові промені відхиляються сильніше, ніж червоні.

Дифракційні грати застосовують як простий спектральний прилад, за допомогою якого можна визначати довжину хвилі. Якщо відомий період ґрат, то знаходження довжини хвилі світла зведеться до вимірювання кута, який відповідає напрямку на обрану лінію порядку спектру. Зазвичай використовують спектри першого чи другого порядку.

Слід зазначити, що спектри дифракції високих порядків накладаються один на одного. Так, при розкладанні білого світла спектри другого та третього порядків вже частково перекриваються.

Дифракційне та дисперсне розкладання у спектр

За допомогою дифракції, як і дисперсії, можна розкласти промінь світла на складові. Однак є принципові відмінності у цих фізичних явищах. Так, дифракційний спектр - це результат огинання світлом перешкод, наприклад, затемнених зон у дифракційної решітки. Такий діапазон поступово поширюється в усіх напрямках. Фіолетова частина спектра звернена до центру. Спектр при дисперсії можна одержувати при пропущенні світла через призму. Спектр виходить розтягнутим у фіолетовому напрямку та стиснутим у червоному. Фіолетова частина спектра займає більшу ширину, ніж червона. Червоні промені при спектральному розкладанні відхиляються менше, ніж фіолетові, отже, червона частина спектра ближче до центру.

Максимальний порядок спектру при дифракції

Використовуючи формулу (2) і зважаючи на те, що не може бути більше одиниці, отримаємо, що:

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Чим відрізняється дифракційний спектр від дисперсійного? заданий автором Європейськийнайкраща відповідь це Дисперсійний спектр виходить при заломленні світла призмою (райдуга).
Дифракційний спектр виходить при дифракції на ґратах.
Відрізняються порядком кольорів. У дисперсійному вони йдуть (вважаючи, від первісного променя) – червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий; у дифракційному (вважаючи від головного максимуму) – фіолетовий, синій, блакитний, зелений, жовтий, помаранчевий, червоний.

Відповідь від 22 відповіді[гуру]

Вітання! Ось добірка з відповідями на Ваше запитання: Чим відрізняється дифракційний спектр від дисперсійного?

Відповідь від Йоаша Бодченко[Новичок]
дифракція – це хвильове явище – розсіювання світла (ну, електромагнітної хвилі в загальному випадку) на перешкоді. Зокрема, на щілини.
Дифракційні грати - це спектральний прилад, що складається з великої кількості щілин (паралельних). На кожній щілині відбувається дифракція світла. При зміні кута спостереження (щодо ґрат) між світлом, що пройшло в певному напрямку від щілин виникає різниця ходу (між променями з різних щілин). Для випромінювання із певною довжиною хвилі виникають максимуми при деяких кутах. Кути залежать від довжини хвилі та від кроку ґрат.
Таким чином можна спостерігати спектр світла, що падає на грати (оскільки є залежність напрямку на спектральний максимум від довжини хвилі).
Довгохвильові сигнали відхиляються сильніше.
Головні максимуми є кількох порядків. Кількість ефективно спостережуваних (неперекриваються) залежить від ширини спектра випромінювання і якості решітки (кількості штрихів на мм) .
Дисперсія – це залежність показника заломлення середовища від довжини хвилі електромагнітного випромінювання.
Оскільки від показника заломлення залежить відношення кутів падіння та заломлення, призмою можна розкласти світло на спектральні складові.
Тут кожна складова йде лише в одному напрямку.
Яке світло сильніше відхиляється - залежить від відношення показників заломлення середовища та матеріалу з якого зроблена призма.
Відмінність.
Після призми кожна спектральна складова відхиляється лише одному напрямку. Після дифракційної решітки - кожна складова йде у всіх напрямках, але нерівномірно - має свої головні та побічні максимуми.
Візуально це проявляється так:
Після призми видно суцільну смугу або лінійний спектр - від синього до червоного.
Після дифракційної решітки видно ахроматичний максимум (посередині) і кілька максимумів праворуч і ліворуч - які вже розшаровуються на складові. Якщо розглядається предмет – у максимумах першого порядку – його складові різних кольорів можуть перекриватися. Далі вони краще розлучені, але можуть почати перекриватися сусідні максимуми.
Природа явищ різна.
Частоти відхиляються по-різному.
Коротше, дифракція - це "проникнення", дисперсія - обгинання

Відповідь від Єєбастьян Рачовський[гуру]
Хм, дивно, нам сьогодні поставили таке саме питання. Кароч начебто всі відповіді перебрали, які тут є, а їй все одно не подобається.

Відповідь від розкидати[гуру]
Мій мозок плавиться!! ААА!

Відповідь від складно скорочений[гуру]
Один сік.
Спектр є набір значень. Наприклад, довжини хвиль. Біле світло являє собою сукупність променів світла різних довжин хвиль (різних кольорів); якщо направити на поверхню тригранної призми пучок паралельних променів світла, то після виходу із призми пучок вже не буде паралельним, а кожен промінь піде за своїм напрямом, і на екрані вийде спектр хвиль різної довжини. Т. е. "Райдуга", смужки до-ої (вони різного кольору) рознесені на різну відстань. Набір цих смужок є дисперсійний спектр. Т. е. Дисперсійний спектр - це спектр хвиль (мається на увазі їх довжин), отриманий в результаті різного ступеня заломлення хвиль різної довжини (різного кольору). Якщо коротше: дисп. Спектр - це спектр, отриманий в результаті дисперсії. З чим пов'язане поняття дифракційного спектра? Звичайно ж з дифракцією - обгинанням хвиль різних перешкод, розміри яких співмірні з розмірами аналізованих хвиль. Наприклад, під час дощу утворюються дрібні крапельки води в атмосфері, що призводить до дифракції. Однак різні довжини хвиль дифрагують по-різному - адже вони різної довжини. Дифрагують по-різному, отже відхиляються на різні відстані. Тому ми можемо спостерігати веселку під час дощу. Отже, дифракційний спектр - це спектр хвиль, отриманий в результаті відмінностей огинання перешкод хвиль різної довжини. Якщо коротше: дифр. Спектр - це спектр, отриманий в результаті дифракції. Узагальнення: слова "дисперсійний" або "дифракційний" спектр доповнюють про що йдеться - про процес дисперсії, або процес дифракції. Загалом можна говорити і про хвилю однієї довжини. Тоді спектр складатиметься з однієї смужки. Хоча у разі дифракції тоді можливий ще й перерозподіл інтенсивності хвилі на екрані – це називають дифракційною картиною.

Шкільний курс фізики здається зовсім не складним, зрозумілим та досить цікавим. Не так уже й важко пояснити на уроці вчителю, чим відрізняється дифракційний спектр від дисперсійного, і отримати хорошу оцінку. Але коли йдеться про фізику у вищих навчальних закладах, то все різко ускладнюється. Деякі завдання можуть змусити провести за рішенням не одну безсонну ніч.

Різні способи розкладання світла на спектр

І дифракціяі дисперсіяявляють собою розкладання світлового променя на складові, але завжди є свої нюанси:

Досвід із дисперсією багато хто бачив на уроках фізики. Для цього достатньо було направити промінь на призму, поряд з якою знаходився простий альбомний лист. І звичайне сонячне світло або спрямований промінь із ліхтарика розкладався на всі кольори веселки.

Але при цьому, червоний колір займав на аркуші зовсім небагато місця, Ширина інших кольорів збільшувалася, у напрямку до фіолетового. Саме він займав значну частинувсього спектра.

Найбільший порядок спектру дифракційної решітки

Оптика це точна наука, яка потребує логічного мислення та вірних розрахунків. Колись фізики вивели формулу, якою ми можемо користуватися, і досі:

У цьому складному, але тільки на перший погляд, рівності, шуканої величиною є k- Порядок спектру:

• λ - Довжина хвилі світла, що падає на грати.
• φ - Кут дифракції.
• ά - Кут падіння на решітку світлової хвилі.
• đ - Період решітки.

З цієї рівності можна вивести цікаву для нас формулу, визначення максимального порядку спектра. Для цього досить праву частину рівності поділити на довжину світлової хвилі, при цьому синус кута дифракції можна замінити одиницею для простоти обчислення.

Частина необхідних обчислення величин - постійна, отже жодних проблем виникнути має. Головне, не заплутатися у підрахунках.

На жаль, часом наука надто далеко відходить від практикиі значення більшості таких обчислень для студентів і школярів залишається загадкою, вони вирішують це як абстрактне завдання, аж ніяк не пов'язане з реальним життям.

Простий спосіб обчислення максимального порядку спектру

А ще у фізиків є простіший спосіб визначення максимального порядку. Для формули можна використовувати значення попередньої рівності. Тільки цього разу вихідних даних буде набагато менше, а самі розрахунки можна подати у вигляді:

Як неважко зрозуміти, потрібне значення безпосередньо залежить від періоду решітки та довжини хвилі. Синуси ми благополучно відкинули, а максимальний порядок висловили як m.

На поділ двох чисел складно витратити більше хвилини, так що будь-яке завдання на оптику, в якій потрібно лише визначити значення порядку, не займе так багато часу. Але найчастіше це обчислення – лише перший крок на шляху до пошуку відповіді на складніше питання.

Якщо розібратися у питанні та вникнути в суть поняття, формула видається гранично логічною. Найпростіше вирішувати завдання з білим світлом, адже в такому разі довжина хвилі однакова для всього світлового потоку.

А тепер уявіть, що в потоці кілька відтінків, які, звичайно, мають різну довжину. Завдання дещо ускладнюється, на обчислення потрібно більше часу. А так уже вийшло, у реальному житті, що хвилі виключно білого світла зустрічаються дуже рідко.

Ширина дифракційного спектру

На досвіді з призмою ви могли поспостерігати за неоднорідністю та шириною спектра. Цей параметр має величезне значення в оптиціособливо коли йдеться про дифракційний спектр. Справа в тому, що на відміну від дисперсійного він не стиснутий в жодному напрямку, всі відтінки представлені рівномірно і ширина залежить тільки від показників самої решітки, за допомогою якої проводиться розкладання променя на спектр. У той час, як значення ширини дисперсійного спектру залежить від довжини хвилі. У дифракційній решітці:

1. Є прозорі штрихи.
2. Є непрозорі інтервали.
3. Сума їх довжин є періодом ґрат.
4. Отримати це значення можна поділивши одиницю кількості штрихів на одиницю довжини решітки.

Ширина спектру, що цікавить нас, знаходиться у зворотній залежності від періоду решітки, який вже фігурував у попередніх формулах. Тільки тепер чим менше цей період, тим більша ширина.

Якщо повернутись до визначення максимального порядку, можна помітити, що зі збільшенням значення періоду решіткизростав і порядок. З цього, суто логічно, нескладно зробити ще один висновок - ширина дифракційного спектру та його максимальний порядок перебувають у зворотному зв'язку.

Чим менше одне значення, тим більше інше,і навпаки. Звичайно, це знання не допоможе отримати точні значення. Але перевірити свої обчислення в такий нехитрий спосіб цілком реально.

Різниця між спектрами

Щоб виділити відмінності дисперсійного та дифракційного спектру, необхідно зрозуміти, що кожен з них є.
Дисперсійний:

• З'являється в результаті розкладання променя світла на складові після проходження через призму.
• Поширюється від червоного до фіолетового.
• Спектр стиснутий у тому напрямку, найменшої шириною має червоний діапазон, найбільшої - фіолетовий.
• Може існувати лише одна кольорова картинка.

Дифракційний:

• Виходить внаслідок влучення світла на дифракційну решітку.
• Йде у зворотному порядку, від фіолетового до червоного кольору.
• Спектр рівномірний по всьому своєму протязі.
• Можливо кілька кольорових картинок.

Ось і основні чотири розрізнення, що дозволяють зрозуміти, що є обидва спектри. Хоч назви і трохи співзвучні, але в їх основі лежать різні принципи, так що не варто плутати ці поняття.

Зі знання, чим відрізняється дифракційний спектр дисперсійного спектру, можна розпочати вивчення оптики. Перспективи цієї дисципліни недооцінені, отже дослідників чекає гарантована зайнятість у майбутньому, і може бути серйозні відкриття.

Відео: відмінності дифракційного та дисперсійного спектру

У цьому відео вчений-фізик Денис Логачов проведе урок, у якому розповість про відмінність дифракційного спектра від дисперсійного, ми дізнаємося, що таке дифракційна решітка: