Теоретичні відомості. Вивчення фізичних основ дифрактометрії

Вивчення фізичних основ дифрактометрії

Лабораторна робота № 5

Мета роботи: вивчити будову та принцип дії газового лазера, по явищу дифракції на дифракційній гратці знайти довжину хвилі лазерного випромінювання, а також лінійні розміри еритроцитів.

Обладнання: гелій — неоновий лазер, дифракційна гратка, екран, міліметрова лінійка, гістологічні препарати еритроцитів крові людини.

Атоми і молекули знаходяться в певних стаціонарних станах, кожному з яких відповідає певне значення енергії. При переході на вищий енергетичний рівень атоми поглинають енергію, при переході на нижній — випромінюють її.

Індуковане (вимушене) випромінювання — випромінювання світла збудженими атомами при переході їх з вищих енергетичних рівнів з енергією Е₂ на нижчі з енергією Е₁ під дією зовнішнього опромінювання з частотою:

, (4.5.1)

де h — стала Планка. Дія лазерів ґрунтується на вимушеному випромінюванні. В роботі використовується квантовий генератор ЛГН-І08 (гелій-неоновий лазер).

Розглянемо будову і принцип його дії. Основним його елементом є розрядна трубка, заповнена сумішшю газів - гелію і неону. Парціальний тиск гелію 1 мм. рт.ст., неону — 0,1 мм.рт.ст.

Рис.4.5.1. Енергетична схема ге­лій-неонового лазера.

Рис. 4.5.2. Структурна схема гелій-неонового лазера.

Атоми неону є випромінюючими (робочими), атоми гелію — допоміжними, необхідними для створення інверсної заселеності атомів неону. На рис. 4.5.1 зображені енергетичні рівні атомів неону і гелію. При електричному розряді у трубці збуджуються атоми гелію і переходять у стан 2. Перший збуджений рівень 2 гелію співпадає з енергетичним рівнем 3 атомів неону. Тому при зіткненнях з атомами неону атоми гелію передають їм свою енергію і переводять їх у збуджений стан 3. Таким чином, у трубці створюється активне середовище, яке складається з атомів неону з інверсною заселеністю.

Стан речовини, коли концентрація атомів речовини на верхніх енергетичних рівнях, відповідних збудженому стану, більша, ніж на нижніх, називається інверсною заселеністю. Спонтанний перехід окремих атомів неону з енергетичного рівня 3 на рівень 2 веде до виникнення фотонів. При дальшій взаємодії цих фотонів із збудженими атомами неону виникає їх індуковане когерентне випромінювання і в трубці виникає наростаючий потік фотонів з енергією hn.

Щоб збільшити потужність випромінювання, трубку поміщають у дзеркальний резонатор. Відбиваючись від дзеркал, потік фотонів багатократно проходить вздовж осі трубки; при цьому в процесі індукованого випромінювання бере участь все більше число атомів неону і інтенсивність генерованого випромінювання зростає (рис.4.5.2).

Розрядна трубка з торців закрита плоскопаралельними пластинами 4, вставленими під відповідним кутом до осі трубки. Для створення електричного розряду в трубку введені два електроди 2 і 3. Резонатор складається з плоского 5 і вгнутого 6 дзеркал з багатошаровим діелектричним покриттям. Коефіцієнт відбивання цих дзеркал становить 99%.

Індуковане випромінювання газового лазера є висококогерентним, виключно монохроматичним, плоскополяризованим, строго направленим. На цих властивостях засноване використання лазерів. Лазери широко використовуються в різних галузях медицини. Вперше з лікувальною метою лазер був використаний в офтальмології.

Експерименти на тваринах показали, що дія променів лазера невеликої енергії (соті і десяті долі Джоуля) викликає запалення між внутрішніми оболонками ока з наступним утворенням з’єднувального рубця. Офтальмологи використовують лазер перш за все для лікування відшарування сітківки. Промінь лазера дозволяє «приварювати» відшаровану сітківку до судинної оболонки, яка лежить під нею. Промені лазера успішно використовують і для лікування деяких початкових форм пухлин ока без видалення очного яблука.

Винятковий інтерес представляє можливість використання лазера в хірургії. Промінь лазера дозволяє абсолютно стерильно «світловим скальпелем» розтинати тканини і проводити операції без кровотеч. Пояснюється це тим, що при розтині променем лазера дрібні і середні судини спаюються і лише великі судини необхідно перев'язувати.

Використання лазера дозволило робити хірургічні операції на паренхіматозних органах. Руйнівна дія променя лазера використовується для лікування пігментних плям, бородавок і пухлин. Використання гнучких світловодів дозволило використовувати лазерне випромінювання для одержання голограм деяких внутрішніх органів, а також для внутрішньої коагуляції.

Рис.4.5.3. Схема утворення тіні при огинанні світлом
непрозорого тіла або екрану з отвором.

Рис.4.5.4. Дифракція на дифракційній гратці.

Для визначення довжини хвилі лазерного випромінювання використовується властивість електромагнітних хвиль дифрагувати на дифракційній гратці. Якщо на шляху світлової хвилі розташовані непрозорі тіла або екрани з отворами, то за ними утворюється область тіні, котру можна окреслити геометрично, вважаючи, що промені — прямі лінії (рис.4.5.3).

Огинання світловою хвилею границь непрозорих тіл з утворенням інтерференційного перерозподілу енергії по різних напрямках називається дифракцією світла. Можливість спостереження дифракції залежить від співвід­ношення між довжиною хвилі l та розмірами d перешкоди або отвору. Кут, на який відхиляються промені дифрагуючої хвилі від початкового напрямку, називається кутом дифракції j.

Існує закономірність: j~l/d, тобто кут дифракції тим більший, чим менші лінійні розміри d перешкоди при даній довжині хвилі l.

Дифракційна гратка — оптичний пристрій, що становить сукупність великої кількості паралельних вузьких щілин. Гратка створюється шляхом нанесення штрихів (подряпин) на скляну платівку.

Проміжок між штрихами — це щілини, що пропускають світло. Позначимо ширину щілини а, а проміжок між щілинами — b. Величину d = а + b називають періодом дифракційної гратки.

При падінні світла на дифракційну гратку у всіх щілинах виникають вторинні когерентні хвилі, які, внаслідок дифракції, утворюють у фокальній площині лінзи інтерференційну картину (рис.4.5.4), що складається з великої кількості максимумів і мінімумів різної інтенсивності.

Розглянемо симетричні промені, що йдуть з сусідніх щілин. Якщо різниця ходу d цих променів дорівнює цілому числу довжин хвиль, на екрані, в результаті інтерференції цих хвиль, виникає максимум:

d sin j = ±kl, (4.5.2)

де k – порядок максимуму (k = 0,1,2). Це співвідношення називають формулою дифракційної гратки. Характеристиками дифракційної гратки є кутова дисперсія Д і роздільна здатність r. Кутова дисперсія чисельно дорівнює першій похідній від кута відхилення променів по довжині хвилі:

Д = . (4.5.3)

Рис.4.5.5. Схема експериментальної установки.

Кутова дисперсія визначає ширину спектру. Роздільна здатність дорівнює відношенню довжини хвилі до найменшого інтервалу довжин хвиль, котрі можуть бути розрізнені:

. (4.5.4)

В лабораторній роботі для визначення довжини хвилі випромінювання лазера використовується схема установки, представлена на рис.4.5.5. Дифракційну гратку та екран необхідно розташувати перпен­дику­лярно до вісі лазера. Переміщуючи екран, отримати чітке зображення дифракційної картини. Якщо нам відомі значення d, j_к та k, то довжину хвилі випро­мінювання визначають за формулою:

, (4.5.5)

, (4.5.6) . (4.5.7)

Явище дифракції світла при проходженні його через тонкий шар мазка крові, який служить дифракційною граткою, використовується для знаходження лінійних розмірів еритроцитів. Дифракційна картина має при цьому вигляд концентрич­них темних і світлих кілець (рис.4.5.6).

З дифракційної теорії Гюйгенса — Френеля випливає, що при дифракції паралельних променів на круглій перешкоді темні кільця отримуються при умові:

,

де l — довжина хвилі світла; r — радіус перешкоди; — кутовий радіус кільця (рис.4.5.6).

Умови одержання світлих кілець:

; .

Таким чином, використовуючи дифракційну картину, можна визначити розміри частинок, на яких відбувається дифракція:

, (4.5.8)

де m — відповідний даному кільцю коефіцієнт

Рис.4.5.6. Схема дифракції на мазку крові.

Оскільки, як правило, кути дифракції j є малими:

sin j , (4.5.9)

де Д— діаметр дифракційного кільця, який визначається за формулою:

Д = , (4.5.10)

деД₁ і Д₂ — зовнішній і внутрішній його діаметри. Значення m береться відповідно номеру кільця (кільця нумеруються від першого темного, яке оточує центральне світле коло).

Дата добавления: 2014-12-07