BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN CÔNG TÚ MÁY QUANG PHỔ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MÁY QUANG PHỔ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 2011 1 LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ được hoàn thành tại Trường Đại học Vinh. Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, bằng tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến: PGS.TS. Nguyễn Hoa Lư đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đầy tâm huyết trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn; Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Sau Đại học, Khoa Vật lí cùng các thầy giáo, cô giáo khoa Sau Đại học, Khoa Vật lí đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu tham khảo và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Nghệ An, tháng 10 năm 2011 Tác giả 2 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC 1 MỞ ĐẦU 2 CHƯƠNG 1. TÔ ̉ NG QUAN VÊ ̀ NHIÊ ̃ U XA ̣ VA ̀ TA ́ N SĂ ́ C A ́ NH SA ́ NG 4 1.1. Nhiễu xạ ánh sáng, nguyên lý Huygens – Fresnel 5 1.2. Nhiễu xạ của sóng phẳng 6 1.3. Nhiễu xạ qua khe hẹp 8 1.4. Tán sắc ánh sáng 16 1.5. Kết luận 20 CHƯƠNG 2. MÁY QUANG PHỔ VÀ CÁC ỨNG DỤNG 21 2.1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 21 2.2. Độ tán sắc của máy quang phổ cách tử 22 2.3. Năng suất phân giải của máy quang phổ cách tử 24 2.4. Cấu trúc máy quang phổ, mục đích thí nghiệm và dụng cụ thí nghiệm 27 2.4.1. Cấu trúc máy quang phổ trong phòng thí nghiệm 27 2.42. Mục đích thí nghiệm 27 2.4.3. Dụng cụ thí nghiệm 28 2.5. Thí nghiệm xác định bước sóng của các vạch quang phổ thuỷ ngân qua máy quang phổ cách tử 29 2 . 6 . Thí nghiệm xác định chiết suất của môi trường theo các bước sóng khác nhau 31 2 . 7 . Kết luận 35 KẾT LUẬ N CHUNG 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 3 MỞ ĐẦU Khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ và tán sắc ánh sáng, ta nghiên cứu sự nhiễu xạ của ánh sáng qua cách tử nhiễu xạ và sự tán sắc của ánh sáng qua lăng kính. Người ta đã chứng minh được sự phụ thuộc của chiết suất môi trường vào bước sóng ánh sáng và đưa ra phương trình tán sắc ánh sáng. Hiện tượng nhiễu xạ và tán sắc ánh sáng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Một trong những ứng dụng điển hình đó là việc nghiên cứu, chế tạo và sử dụng các máy quang phổ để đo và xác định các đại lượng vật lí: đo bước sóng ánh sáng và kiểm chứng sự phụ thuộc của chiết suất môi trường vào bước sóng ánh sáng… Hiện nay, hầu hết các trường đại học, cao đẳng và một số các trường trung học phổ thông đã được trang bị máy quang phổ để phục vụ cho việc học tập, giảng dạy và nghiên cứu khoa học của cán bộ, sinh viên và học sinh. Tuy vậy, việc sử dụng thiết bị này cho mục đích nghiên cứu thực nghiệm thực sự chưa được quan tâm đúng mực. Việc nâng cao chất lượng hoạt động thực hành, thí nghiệm ở các trường đại học, cao đẳng, ở các viện nghiên cứu và ở các trường trung học phổ thông đang là vấn đề bức thiết, thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học, các giảng viên, giáo viên ở các cơ sở đào tạo các cấp, chính vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Ma ́ y quang phổ va ̀ ư ́ ng du ̣ ng cu ̉ a ma ́ y quang phổ” cho luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của mình. Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn được trình bày trong hai chương: Chương I. Tổng quan về nhiễu xạ và tán sắc ánh sáng 4 Trong chương này, trình bày lí thuyết tổng quan về nhiễu xạ và tán sắc ánh sáng: nhiễu xạ của sóng phẳng; nhiễu xạ qua khe hẹp; cách tử nhiễu xạ; tán sắc ánh sáng và thuyết electron về sự tán sắc ánh sáng. Chương II. Máy quang phổ và các ứng dụng Trong chương này chúng tôi trình bày cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ dùng lăng kính và dùng cách tử; nêu một số đặc trưng của máy quang phổ như độ phân giải, độ tán sắc… nêu cấu tạo của máy quang phổ trong phòng thí nghiệm quang học quang phổ tại trường Đại học Vinh và đã tiến hành thí nghiệm với máy quang phổ dùng đèn hơi thuỷ ngân, kết quả thí nghiệm đã đo được góc nhiễu xạ và tính toán được bước sóng ánh sáng sử dụng trong máy quang phổ. Chúng tôi cũng đã tiến hành thí nghiệm đo góc lệch cực tiểu qua lăng kính ứng với ánh sáng đơn sắc, từ đó xác định được chiết suất của lăng kính đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau, vẽ được đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của chiết suất lăng kính vào bước sóng ánh sáng. 5 S o P M o θ θ ∑ Hình 1.1. Nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NHIỄU XẠ VÀ TÁN SẮC ÁNH SÁNG 1.1 Nhiễu xạ ánh sáng, nguyên lý Huyghens – Fresnel Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng lệch khỏi phương truyền thẳng trong môi trường đồng tính khi gặp vật cản. [1] Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng có thể giải thích được một cách định tính bằng nguyên lí Huyghens. Tuy nhiên, nguyên lí Huyghens chưa cho biết độ sáng trên màn đặt sau vật cản sẽ được phân bố như thế nào. Để giải quyết vấn đề này, Fresnel bổ sung nguyên lí giao thoa vào nguyên lí Huyghens và lập nên nguyên lí Huyghens – Fresnel. Đó là nguyên lí cơ bản của quang học sóng, nội dung nguyên lí đó như sau: Có thể thay nguồn sáng điểm S o bằng một mặt kín phát quang ∑ bao quanh nó. Mỗi điểm trên mặt ∑ được xem là các nguồn ảo d ∑ phát sóng thứ cấp, chúng là những sóng kết hợp có thể giao thoa với nhau. 6 Như vậy, tìm cường độ sóng tổng hợp ở tại điểm P bên ngoài mặt ∑ ta không cần chú ý tới S o mà chỉ cần dùng các nguồn thứ cấp d ∑ phân bố trên mặt ∑ (hình 1.1). Nếu dao động xẩy ra do nguồn nguyên tố d ∑ ở tại điểm M được biểu diễn bởi biểu thức: os2 E t R o d c E R T M π λ       = − (1.1) trong đó: R = S o M và λ là bước sóng của nguồn sáng S o , khi đó dao động này chuyển đến P sẽ có dạng os2 d t R r dE K c P r T π λ       + ∑ = − (1.2) Trong đó r = MP, K là hệ số phụ thuộc vào bước sóng và phụ thuộc vào các góc θ , ' o θ tạo nên bởi pháp tuyến ngoài N của mặt dz với phương của sóng tới S o M và sóng nhiễu xạ MP. Khi θ và θ ’ càng lớn thì K càng nhỏ: Khi ' 2 π θ = thì K = 0; Khi ' 0 θ θ = = thì K = K max . Bởi vì các nguồn thứ cấp d ∑ là các nguồn kết hợp cho nên dao động tổng hợp tại điểm P bằng tổng tất cả các dao động thứ cấp d E p , tức là: os2 E K t R r o E dE c d p p r R T π λ       + = = − ∑ ∫ ∫ ∑ ∑ . (1.3) Mặt ∑ được chọn hoàn toàn tùy ý, vì vậy đối với mỗi bài toán cụ thể ta nên chọn mặt ∑ sao cho việc giải bài toán là thuận lợi nhất. 7 Như vậy nguyên lí Huyghen – Frenel cho phép nghiên cứu cường độ sóng tổng hợp theo các phương khác nhau trong từng trường hợp sóng ánh sáng truyền tự do (truyền thẳng) cũng như khi gặp vật cản (nhiễu xạ). [1- 4] 1.2. Nhiễu xạ của sóng phẳng Nguồn sáng điểm S o được đặt tại tiêu điểm L 1 . Ra khỏi L 1 ta được chùm tia song song rọi vào màn chắn D có lỗ thủng AB. Các chùm tia song song nhiễu xạ qua lỗ thủng AB theo các phương khác nhau ( ϕ là góc giữa phương của tia nhiễu xạ và tia tới) sẽ hội tụ tại các điểm khác nhau tương ứng trên tiêu diện của thấu kính L 2 . Ta quan sát thấy ảnh nhiễu xạ trên màn E đặt tại tiêu diện của thấu kính L 2 . Hình dạng của ảnh nhiễu xạ phụ thuộc vào dạng và kích thước của lỗ trên màn D và vào bước sóng của ánh sáng tới. 8 S o L 1 D A B F ϕ F ϕ Hình 1.2. Mô tả hiện tượng nhiễu xạ của sóng phẳng Ta sẽ xác định sự phân bố cường độ sáng trên màn quan sát theo góc nhiễu xạ. Muốn vậy ta chia khe thành những dải vô cùng hẹp song song với cạnh khe A và B và có độ rộng dx. Mặt sóng trùng với mặt khe, do đó sóng thứ cấp do các dải phát ra cùng pha. Để giải bài toán, ta viết biểu thức của sóng gửi từ một dải đến điểm quan sát rồi tổng hợp tác dụng của tất cả các sóng đó. Ta xét một dải có độ rộng dx ở cách mép một khoảng x (hình 1.3) và giả sử sóng tới mặt khe có dạng: sin .E E t o ω = Khi đó biên độ của sóng thứ cấp phát ra từ một dải có độ rộng bằng đơn vị chiều dài sẽ là E o a . Do đó biên độ dao động 9 F ϕ F L dx A’ C A B a ϕ Hình 1.3. Nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ của sóng phẳng của sóng thứ cấp phát ra từ dải có độ rộng dx cách mép A của khe một khoảng x sẽ là E o a dx. Dao động của sóng thứ cấp phát ra từ dải này theo phương lệch góc ϕ sẽ lệch pha với dao động phát ra từ điểm A cũng theo phương này một lượng đúng bằng: ' 2 A C d ϕ π λ = . Ta có: sin ' sin 2 . x A C x d ϕ ϕ ϕ π λ = → = Vì thế dao động phát ra bởi dải dx gửi tới F ϕ có thể viết dưới dạng: 2 sin sin E dE t dx a π ϕ ω λ   = −  ÷   (1.4) 1.3. Nhiễu xạ qua khe hẹp Khe hẹp là trường hợp đặc biệt của hình chữ nhật có độ dài vô hạn và độ rộng hữu hạn a nào đó. Giả sử có một chùm tia sáng đơn sắc song song rọi vuông góc vào mặt khe này. Ánh sáng tới sẽ bị nhiễu xạ qua khe theo những góc khác nhau. Theo nguyên lí Huygens – Fresnel mỗi điểm của mặt sóng đạt tới khe là một nguồn phát sóng thứ cấp truyền đi mọi phương. Bởi vì dao động dE phát ra từ các dải là những dao động kết hợp, cho nên việc khảo sát bài toán nhiễu xạ đưa đến giải bài toán giao thoa. Vì vậy lấy tích phân biểu thức (1.4) trong giới hạn từ x = 0 đến x = a ta có: sin sin 2 . 0 0 a a E o E dE t x dx a ϕ ω π λ        ÷     = = − ∫ ∫ 10 . DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN CÔNG TÚ MÁY QUANG PHỔ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MÁY QUANG PHỔ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 2011 1 LỜI CẢM ƠN Luận văn. động của máy quang phổ dùng lăng kính và dùng cách tử; nêu một số đặc trưng của máy quang phổ như độ phân giải, độ tán sắc… nêu cấu tạo của máy quang phổ