2.B.SIN 2KSONG SONG TÍI GIAO THOA VÍI NHAU T¹I V« CÙC. §Ó QUAN S¸T HAY...

2.b.sin 2ksong song tíi giao thoa víi nhau t¹i v« cùc. §Ó quan s¸t hay sin

ϕ

=±k.

λ

/b (2) ¶nh giao thoa cña c¸c tia nhiÔu x¹ song song, ta ®Æt mét thÊu kÝnh héi tô L ë phÝa sau khe hÑp AB ®Ó héi tô Theo (2), khi k = 0 th×

ϕ

= 0 : c¸c tia s¸ng c¸c tia nhiÔu x¹ nµy t¹i ®iÓm M trªn mÆt tiªu cña thÊu truyÒn th¼ng qua khe hÑp AB vµ héi tô t¹i tiªu kÝnh. Khi ®ã ®iÓm M cã thÓ s¸ng hoÆc tèi tuú thuéc gi¸ ®iÓm F cña th©ó kÝnh L. C¸c tia s¸ng nµy cã trÞ cña gãc

ϕ

^. cïng quang lé nªn t¹i tiªu ®iÓm F, chóng dao Thùc vËy, ta h·y vÏ c¸c mÆt ph¼ng song song ®éng cïng pha vµ t¨ng c−êng lÉn nhaụ Do ®ã

Σ Σ Σ

₀

,

₁

,

₂

,

... c¸ch nhau

λ

/2 vµ vu«ng gãc víi ®iÓm F rÊt s¸ng vµ gäi lµ cùc ®¹i nhiÔu x¹ gi÷a. - NÕu khe hÑp chøa mét sè lÎ d¶i : chïm tia nhiÔu x¹. C¸c mÆt ph¼ng nµy chia mÆt

(

^{2k 1}

)

n=± + , th× dao ®éng s¸ng do mçi cÆp d¶i ph¼ng cña khe AB thµnh c¸c d¶i s¸ng hÑp cã ®é réng: s¸ng kÕ tiÕp truyÒn tíi ®iÓm M sÏ khö lÉn nhau, chØ

λ

cßn l¹i dao ®éng s¸ng cña mét d¶i s¸ng d− ra AB

₁

= B

₁

B

₂

= ... =

ϕ

kh«ng bÞ khö. Khi ®ã M lµ mét ®iÓm s¸ng vµ 2 .sin®−îc gäi lµ cùc ®¹i nhiÔu x¹ bËc k (k ≠ ^0). Sè d¶i s¸ng cã trªn mÆt khe hÑp b»ng : C−êng ®é s¸ng cña c¸c cùc ®¹i nhiÔu x¹ bËc k nhá n = b = (1) 2b h¬n nhiÒu so víi cùc ®¹i gi÷ạ VÞ trÝ c¸c cùc ®¹i

λ ϕ

/nhiÔu x¹ bËc k trªn mÆt tiªu cña thÊu kÝnh L V× c¸c tia nhiÔu x¹ t−¬ng øng tõ hai d¶i s¸ng kÕ tiÕp ®−îc x¸c ®Þnh bëi hÖ thøc : truyÒn tíi ®iÓm M cã hiÖu quang lé b»ng

λ

/2^{, nªn dao}

ϕ

víi k = 1, 2, 3,.... 2 =± +®éng s¸ng cña chóng ng−îc pha vµ khö lÉn nhaụ Tõ ®ã suy ra c¸c kÕt qu¶ sau : hay sin

ϕ

=±(2.k+1).

λ

/2.b (3) VÞ trÝ c¸c cùc ®¹i vµ cùc tiÓu nhiÔu x¹ trªn mµn ¶nh E (®Æt t¹i mÆt tiªu cña thÊu kÝnh L) vµ sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng Icña c¸c cùc ®¹i nhiÔu x¹ phô thuéc b gi¸ trÞ cña sin

ϕ

nh− h×nh 2. d

ϕ

I I

₀

I

₁

_{= 0,045.I}

₀

H×nh 3 λ −3th× mäi khe hÑp cña c¸ch tö ph¼ng ®Òu cho cùc b I

₂

_{= 0,016.I}

₀

tiÓunhiÔu x¹ : c¸c cùc tiÓu nhiÔu x¹ nµy ®−îc

gäi lµ cùc tiÓu chÝnh. B©y giê ta xÐt sù giao thoa cña c¸c chïm tia −2λ

sin

b b +2λb 0 +λb −λnhiÔu x¹ tõ N khe hÑp truyÒn tíi nh÷ng vÞ trÝ H×nh 2

n»m trong kho¶ng gi÷a c¸c cùc tiÓu chÝnh. NhËn xÐt thÊy hiÖu quang lé gi÷a c¸c cÆp tia NhËn thÊy cùc ®¹i gi÷a cã ®é réng lín gÊp ®«i vµ cã nhiÔu x¹ t−¬ng øng tõ hai khe kÕ tiÕp truyÒn tíi c−êng ®é s¸ng lín h¬n nhiÒu so víi c¸c cùc ®¹i nhiÔu x¹ kh¸c. Dùa vµo lý thuyÕt, ng−êi ta ®· tÝnh ®−îc tû lÖ ®iÓm M trªn mÆt tiªu F cña thÊu kÝnh héi tô L b»ng : gi÷a c−êng ®é s¸ng I

₁

_,I

₂

, ... cña c¸c cùc ®¹i nhiÔu x¹ ^L

2

−^L

1

=^d.sin

ϕ

(6) thø k = 1, 2,... so víi c−êng ®é s¸ng I

₀

cña cùc ®¹i Tõ ®ã suy ra nh÷ng tia nhiÔu x¹ cã gãc lÖch

ϕ

gi÷a : tho¶ m·n ®iÒu kiÖn : I

1

/I

0

=0,047_; I

2

/ I

0

=0,016;... (4)

d .sin ϕ = ± k . λ

^víi k =0,1,2,3....C«ng thøc (2) vµ (3) chøng tá vÞ trÝ c¸c cùc ®¹i vµ cùc tiÓu nhiÔu x¹ trªn mµn ¶nh E kh«ng phô thuéc vÞ hay sin

ϕ

=±k.

λ

/d (7) trÝ cña khe hÑp AB. V× thÕ, nÕu gi÷ cè ®Þnh thÊu kÝnh L sÏ g©y ra t¹i ®iÓm M c¸c dao ®éng s¸ng cïng vµ dÞch chuyÓn khe hÑp AB song song víi chÝnh nã, pha vµ chóng t¨ng c−êng lÉn nhaụ Khi ®ã, M th× ¶nh nhiÔu x¹ trªn mµn E kh«ng thay ®æị sÏ lµ ®iÓm s¸ng vµ gäi lµ cùc ®¹i chÝnh bËc k. DÔ dµng nhËn thÊy cùc ®¹i chÝnh trung t©m øng B. NhiÔu x¹ qua c¸ch tö ph¼ng víi k = 0 vµ sin

ϕ

= 0 n»m t¹i tiªu ®iÓm F cña TËp hîp mét sè lín khe hÑp gièng nhau n»m thÊu kÝnh L.. H¬n n÷a, do d > b nªn gi÷a hai cùc song song vµ c¸ch ®Òu nhau trªn cïng mét mÆt tiÓu chÝnh sÏ cã mét sè cùc ®¹i chÝnh (H×nh 4). ph¼ng gäi lµ c¸ch tö ph¼ng . Kho¶ng c¸ch d gi÷a hai khe hÑp kÕ tiÕp nhau gäi lµ chu kú cña c¸ch tö. I

₀

ChiÕu chïm s¸ng song song ®¬n s¾c kÕt hîp cã bø¬c sãng

λ

vu«ng gãc víi mÆt c¸ch tö ph¼ng gåm N khe hÑp (H×nh 3). Mçi khe hÑp cã ®é réng b»ng b sinϕvµ chu kú cña c¸ch tö b»ng d . Khi ®ã sÏ ®ång thêi x¶y ra hiÖn t−îng nhiÔu x¹ ¸nh s¸ng g©y ra bëi mçi khe hÑp vµ hiÖn t−îng giao thoa cña c¸c chïm tia −λb −λd 0 +λd +λnhiÔu x¹ tõ N khe hÑp truyÒn tíi mÆt tiªu cña thÊu H×nh 4 : N = 2 , d = 3b kÝnh L. V× vËy ¶nh nhiÔu x¹ trªn mµn ¶nh E trong tr−êng hîp nµy trë nªn phøc t¹p h¬n so víi mét khe . Tr−íc tiªn ta nhËn thÊy t¹i nh÷ng ®iÓm øng víi c¸c gãc nhiÔu x¹

ϕ

tho¶ m·n ®iÒu kiÖn (2) : Ng−êi ta còng chøng minh ®−îc r»ng gi÷a hai cùc ®¹i chÝnh kÕ tiÕp, cßn cã mét sè cùc ®¹i phô sin

ϕ

= ±k.

λ

/b víi k = 1, 2,... (5) ng¨n c¸ch bëi c¸c cùc tiÓu phô. VÞ trÝ c¸c cùc tiÓu phô x¸c §Ó t¹o ra tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é h¹t, ng−êi ta sö dông m«i tr−êng kÝch ho¹t trong ®ã nguyªn tö cã ba ®Þnh bëi gãc lÖch

ϕ

tho¶ m·n ®iÒu kiÖn : (hoÆc bèn) møc n¨ng l−îng E

₁

, E

₂

, E

₃

sao cho thêi sin

ϕ

= ±k′⋅

λ

/N.d (8) gian sèng

τ

3

cña nguyªn tö ë møc E

₃

rÊt nhá so víi thêi víi k′=1,2,3,... trõ c¸c gi¸ trÞ N, 2N, 3N,.... gian sèng

τ

2

ë møc E

₂

. §ång thêi dïng ph−¬ng ph¸p V× c¸c cùc ®¹i phô cã c−êng ®é s¸ng rÊt nhá nªn "b¬m ®iÖn" (phãng ®iÖn qua m«i tr−êng kÝch ho¹t) hoÆc kh«ng vÏ trªn h×nh 4. KÕt qu¶ lµ ¶nh nhiÔu x¹ qua c¸ch "b¬m quang" (dïng nguån s¸ng thÝch hîp cã c−êng tö ph¼ng cã sè khe

N

kh¸ lín sÏ gåm nh÷ng v¹ch s¸ng ®é m¹nh chiÕu vµo m«i tr−êng kÝch ho¹t) ®Ó c¸c song song n»m t¹i c¸c vÞ trÝ x¸c ®Þnh theo ®iÒu kiÖn (7). nguyªn tö bÞ kÝch thÝch chuyÓn tõ møc E

1

lªn E

₃

. C¸c v¹ch s¸ng nµy ng¨n c¸ch nhau bëi nh÷ng kho¶ng Nh−ng v×

τ

3

<

τ

2

, nªn c¸c nguyªn tö ë møc E

₃

tèi vµ cã c−êng ®é s¸ng gi¶m tõ cùc ®¹i trung t©m ra nhanh chãng chuyÓn vÒ møc E

₂

®Ó t¹o ra tr¹ng th¸i xa nã vÒ c¶ hai phÝa ( xÐt trong ph¹m vi gi÷a hai cùc ®¶o mËt ®é h¹t víi N

2

>N

1

vµ dÉn tíi hiÖn t−îng ph¸t tiÓu chÝnh bËc 1 +

λ

/b vµ −

λ

/ b) .x¹ c¶m øng . Trong thÝ nghiÖm nµy, ta dïng laser b¸n dÉn - gäi Trong thÝ nghiÖm nµy, ta sÏ nghiªn cøu hiÖn t−îng lµ diode laser. Khi cho dßng ®iÖn mét chiÒu cã c−êng nhiÔu x¹ cña chïm laser chiÕu qua mét c¸ch tö ®é thÝch hîp ch¹y qua líp tiÕp xóc p-n t¹o ra tõ chÊt ph¼ng, kh¶o s¸t sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng trªn ¶nh b¸n dÉn c¬ b¶n GaAs, tia laser sÏ ®−îc ph¸t ra do nhiÔu x¹ cña nã , tõ ®ã x¸c ®Þnh b−íc sãng

λ

^cña qu¸ tr×nh t¸i hîp p-n ®Ó t¹o ra c¸c photon. Nguyªn laser. t¾c t¹o ra tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é trong diode laser nh−

sau : C¸c electron trong vïng ho¸ trÞ chuyÓn lªn vïng C. S¬ l−îc vÒ nguån s¸ng laser dÉn nhê mét qu¸ tr×nh "b¬m" (kiÓu ®iÖn hoÆc kiÓu Laser lµ tõ viÕt t¾t cña côm tõ tiÕng Anh - Light quang). KÕt qu¶ lµ gi÷a c¸c møc n¨ng l−îng thÊp cña Amplification by stimulated Emission of Radiation – (KhuÕch vïng dÉn vµ c¸c møc n¨ng l−îng cao ë vïng ho¸ trÞ ®¹i ¸nh s¸ng b»ng ph¸t x¹ c¶m øng) ®Ó chØ c¸c bøc x¹ ®iÖn tõ cã sù ®¶o mËt ®é electron. Tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é kÕt hîp ,cã ®é ®¬n s¾c rÊt cao, cã c−êng ®é lín, vµ tÝnh ®Þnh electron lµ tr¹ng th¸i kh«ng c©n b»ng, nã chØ tån t¹i h−íng cao, ®−îc t¹o ra trong nh÷ng ®iÒu kiÖn ®Æc biÖt. trong kho¶ng thêi gian rÊt ng¾n 10

^-13

s vµ ®ñ ®Ó g©y Khi chiÕu bøc x¹ ®iÖn tõ ®¬n s¾c cã tÇn sè

ν

^{vµo mét} ra hiÖu øng laser . chÊt, electron cña c¸c nguyªn tö ë møc n¨ng l−îng c¬ b¶n E

₁

hÊp thô bøc x¹ vµ chuyÓn lªn møc n¨ng l−îng kÝch thÝch

IỊ Tr×nh tù thÝ nghiÖm

E

2

cao h¬n (E

2

> E

1

). Nh−ng electron chØ tån t¹i ë møc Ạ Bé thiÕt bÞ kh¶o s¸t nhiÔu x¹ cña n¨ng l−îng kÝch thÝch E

₂

trong kho¶ng thêi gian ng¾n (10

^-3

s

tia laser ÷ 10

^-8

s) - gäi lµ thêi gian sèng

τ

, sau ®ã chóng l¹i chuyÓn vÒ møc n¨ng l−îng c¬ b¶n E

1

vµ ph¸t x¹ bøc x¹. ThiÕt bÞ gåm mét diode laser DL, ph¸t ra Qu¸ tr×nh chuyÓn møc n¨ng l−îng khi hÊp thô hoÆc ph¸t chïm tia laser mµu ®á chiÕu vu«ng gãc vµo mÆt x¹ ®Òu tu©n theo hÖ thøc Einstein : ph¼ng cña c¸ch tö CT. Chïm tia laser bÞ nhiÔu

ε

^{= h}

^v

^{= E}

2

- E

₁

(9) x¹, truyÒn qua thÊu kÝnh héi tô TK ( cã tiªu cù víi h = 6,625.10

^-34

J.s lµ h»ng sè Planck vµ

ε

^=h

ν

^lµ f = 500mm) vµ cho ¶nh nhiÔu x¹ trªn mÆt tiªu photon cña bøc x¹ ®iÖn tõ cã tÇn sè v. cña thÊu kÝnh (H×nh 5) . §Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ c¸c Râ rµng x¸c suÊt x¶y ra hÊp thô tû lÖ víi mËt ®é cùc ®¹i nhiÔu x¹ vµ kh¶o s¸t sù ph©n bè c−êng electron N

1

ë møc n¨ng l−îng c¬ b¶n E

1

vµ x¸c suÊt x¶y ra ®é s¸ng cña chóng, ta dïng mét c¶m biÕn ph¸t x¹ tû lÖ víi mËt ®é electron N

2

ë møc n¨ng l−îng kÝch quang ®iÖn silicon Q§ ®Æt trong mét hép kÝn, thÝch E

2

.Th«ng th−êng N

2

<N

1

nªn x¸c suÊt ®Ó x¶y ra ph¸t phÝa tr−íc cã mµn ch¾n s¸ng cã khe hë réng x¹ nhá h¬n x¸c suÊt x¶y ra hÊp thô. Trong ®iÒu kiÖn nµy, kho¶ng 0,2 - 0,3 mm. Hép c¶m biÕn ®−îc g¾n qu¸ tr×nh ph¸t x¹ kh«ng cã tÝnh kÕt hîp vµ ®−îc gäi lµ ph¸t trªn ®Çu trôc cña Panme P, nªn cã thÓ di x¹ tù ph¸t, c¸c bøc x¹ hoµn toµn ®éc lËp víi nhau, kh«ng cã liªn hÖ vÒ pha vµ h−íng

.

Nh−ng, nÕu b»ng c¸ch nµo ®ã chuyÓn ®−îc theo ph−¬ng ngang. C−êng ®é tia t¹o ra ®−îc N

2

>N

₁

th× x¸c suÊt x¶y ra ph¸t x¹ lín h¬n x¸c laser räi vµo c¶m biÕn Q§, chuyÓn ®æi thµnh suÊt x¶y ra hÊp thô. Khi ®ã qu¸ tr×nh ph¸t x¹ cã tÝnh kÕt hîp c−êng ®é dßng ®iÖn, ch¹y qua mét ®iÖn trë sun vµ gäi lµ ph¸t x¹ c¶m øng, trong ®ã c¸c bøc x¹ c¶m øng cã 220ς. HiÖu ®iÖn thÕ r¬i trªn ®iÖn trë sun nµy cïng tÇn sè, cïng pha, cïng h−íng vµ cïng ®é ph©n cùc ®−îc ®o vµ chØ thÞ bëi Milivon kÕ ®iÖn tö MV, cã víi bøc x¹ kÝch thÝch. §iÒu kiÖn cÇn ®Ó x¶y ra ph¸t x¹ c¶m øng lèi vµo lµ mét æ c¾m 5 ch©n C. lµ cã sù ®¶o mËt ®é h¹t, nghÜa lµ N

₂

>N

₁

. M«i tr−êng chÊt ë B. KiÓm tra vµ ®iÒu chØnh chuÈn trùc cho hÖ tr¹ng th¸i cã sù ®¶o mËt ®é h¹t gäi lµ m«i tr−êng kÝch ho¹t. thèng. §Ó kÕt qu¶ ®o ®−îc chÝnh x¸c, tr−íc hÕt ta cÇn bªn tr¸ị BÊm kho¸ K trªn mÆt MV, chê kho¶ng 3 kiÓm tra vµ ®iÒu chØnh chuÈn trùc cho hÖ thèng, tøc lµ phót ®Ó bé khuÕch ®¹i æn ®Þnh. TiÕn hµnh ®iÒu ®iÒu chØnh sao cho chïm tia laser tíi ®Ëp th¼ng gãc chØnh sè 0 cho Milivon kÕ ®iÖn tö MV b»ng c¸ch : che s¸ng hoµn toµn khe hë cña c¶m biÕn quang vµo b¶ng mµn ¶nh, ®óng vÞ trÝ trung t©m cña c¶m biÕn Q§. Muèn vËy ta h·y thùc hiÖn theo c¸c b−íc ®iÖn Q§, vÆn tõ tõ nóm biÕn trë "qui 0" ( l¾p sau : ngay d−íi ®ång hå chØ thÞ ) ®Ó kim ®ång hå MV chØ ®óng sè 0 .