Dyfrakcja fal elektromagnetycznych na sieciach przestrzennych

Podobne dokumenty
Ciała stałe. Ciała krystaliczne. Ciała amorficzne. Bardzo często mamy do czynienia z ciałami polikrystalicznymi, rzadko monokryształami.

DYFRAKCJA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

Fizyka fal cyrklem i linijką

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Przekształcenie całkowe Fouriera

Światło ma podwójną naturę:

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

Ćwiczenie 71. Dyfrakcja światła na szczelinie pojedynczej i podwójnej

Natęż. ężenie refleksu dyfrakcyjnego

Monochromatyzacja promieniowania molibdenowej lampy rentgenowskiej

Krystalografia. Dyfrakcja

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

ĆWICZENIE 41 WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA ZA POMOCĄ MIKROSKOPU. Kraków, luty kwiecień 2015

Optyka 2. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

41P6 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - V POZIOM PODSTAWOWY

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Światło fala, czy strumień cząstek?

Metody badań monokryształów metoda Lauego

Natura światła. W XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła. Isaac Newton

Badanie zjawisk optycznych przy użyciu zestawu Laser Kit

1 OPTOELEKTRONIKA 3. FOTOTRANZYSTOR

WYKŁAD nr Ekstrema funkcji jednej zmiennej o ciągłych pochodnych. xˆ ( ) 0

Wyznaczanie zależności współczynnika załamania światła od długości fali światła

Wzajemne relacje pomiędzy promieniowaniem a materią wynikają ze zjawisk związanych z oddziaływaniem promieniowania z materią. Do podstawowych zjawisk

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Dyfrakcja na kryształach. Dyfrakcja na kryształach

Kwantowa teoria promieniowania

Dyfrakcja światła na otworze kołowym, czyli po co fizykowi całkowanie numeryczne?

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. DWÓJŁOMNOŚĆ MIKI

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Dyfrakcja rentgenowska (XRD) w analizie fazowej Wykład 2 i 3

Fizyka Ciała Stałego

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Własności optyczne materii. Jak zachowuje się światło w zetknięciu z materią?

Nagrody Nobla z dziedziny fizyki ciała. Natalia Marczak Fizyka Stosowana, semestr VII

PODSTAWY BARWY, PIGMENTY CERAMICZNE

optyka falowa interferencja dyfrakcja polaryzacja optyka geometryczna prawo odbicia prawo załamania

Metody badań monokryształów metoda Lauego

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

Fale elektromagnetyczne w dielektrykach

Rentgenografia - teorie dyfrakcji

Fale materii. gdzie h= J s jest stałą Plancka.

Opis matematyczny odbicia światła od zwierciadła kulistego i przejścia światła przez soczewki.

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Wprowadzenie do technologii HDR

KO OF Szczecin:

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

ĆWICZENIE 6. Hologram gruby

Wyznaczanie stałej Kerra

Wykład III. Interferencja fal świetlnych i zasada Huygensa-Fresnela

Fizyczne Metody Badań Materiałów 2

POLITECHNIKA WARSZAWSKA BADANIA STRUKTURY CIAŁ STAŁYCH

III. EFEKT COMPTONA (1923)

Wykłady 10: Kryształy fotoniczne, fale Blocha, fotoniczna przerwa wzbroniona, zwierciadła Bragga i odbicie omnidirectional

FALE ELEKTROMAGNETYCZNE - OPTYKA FALOWA

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

DYFRAKCYJNE METODY BADANIA STRUKTURY CIAŁ STAŁYCH

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ

Własności optyczne półprzewodników

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

1 Postulaty mechaniki kwantowej

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 6. Badanie właściwości hologramów

Ćwiczenie 4. Doświadczenie interferencyjne Younga. Rys. 1

Ćwiczenie nr 6. Zjawiska elektrooptyczne Sprawdzanie prawa Malusa, badanie komórki Pockelsa i Kerra

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

17. Który z rysunków błędnie przedstawia bieg jednobarwnego promienia światła przez pryzmat? A. rysunek A, B. rysunek B, C. rysunek C, D. rysunek D.

Dyfrakcja rentgenowska (XRD) w analizie fazowej Wykład 2

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Prawa optyki geometrycznej

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Fonony. Fonony

- 1 - OPTYKA - ĆWICZENIA

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

DYFRAKCJA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

Podstawy fizyki wykład 8

KOOF Szczecin:

Krystalografia. Dyfrakcja na monokryształach. Analiza dyfraktogramów

Geometria płaska - matura Przyprostokątne trójkąta prostokątnego mają długości 3 7cm poprowadzona z wierzchołka kąta prostego ma długość: 12

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Elementy teorii powierzchni metali

Metody dyfrakcyjne do wyznaczania struktury krystalicznej materiałów

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Wielomiany Hermite a i ich własności

41R6 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - VI POZIOM ROZSZERZONY

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Prawo Bragga. Różnica dróg promieni 1 i 2 wynosi: s = CB + BD: CB = BD = d sinθ

MATERIA. = m i liczby całkowite. ciała stałe. - kryształy - ciała bezpostaciowe (amorficzne) - ciecze KRYSZTAŁY. Periodyczność

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Transkrypt:

FOTON 13, Wiosna 016 43 1nm Dyfrakcja fal elektromagnetycznych na sieciach przestrzennych Jerzy Ginter Wyział Fizyki UW Dyfrakcja fal elektromagnetycznych na przestrzennych strukturach perioycznych jest interesująca co najmniej w wóch ziezinach. I. Dyfrakcja promieni Roentgena na kryształach Dyfrakcję promieni Roentgena na kryształach rozpoczęły słynne prace Maxa von Lauego 1, potwierzające atomową buowę materii i fakt, że w kryształach atomy ustawione są w regularnej sieci przestrzennej. Obecnie przestrzenny perioyczny ukła atomów kryształów można wprost ogląać, na przykła za pomocą mikroskopu elektronowego (rys. 1). Rys. 1. Fotografia z mikroskopu elektronowego. Na ole monokryształ krzemu Si, na górze bezpostaciowa krzemionka SiO W tak zwanej metozie Lauego na monokryształ kieruje się niemonochromatyczną ( białą ) wiązkę promieniowania rentgenowskiego o ość szerokim zakresie wimowym (rys. ). Obraz yfrakcyjny rejestruje się na przykła za pomocą kliszy fotograficznej. Ma on postać wielu ozielnych punktów. Przy opowienim ustawieniu obraz ozwierciela symetrię baanego kryształu (rys. 3). Rys.. Zasaa metoy Lauego Rys. 3. Obraz yfrakcji promieni Roentgena na krysztale NaCl uzyskany metoą Lauego 1 Nagroa Nobla w roku 1914.

44 FOTON 13, Wiosna 016 Kryształy fotoniczne W ostatnich latach uże zainteresowanie buzą tak zwane kryształy fotoniczne. Są to struktury przestrzenne o perioyczności porównywalnej z ługością fali promieniowania wizialnego, czyli rzęu 1 µm. Mogą to być: przestrzenne ukłay komórek piór ptasich czy skrzyeł motyli (rys. 4). Ukłay takie oświetlone światłem białym stają się kolorowe, mimo że nie zawierają barwników; sztucznie otrzymane przestrzenne struktury z materiałów przezroczystych. Szerokie baania tego typu ukłaów rozpoczęła praca Eli Yablonovitcha z 1987 roku. Oczekuje się, że bęą miały one szerokie zastosowanie w elektronice 3. Rys. 4. Fotografia struktury przestrzennej skrzyła motyla rusałki pawika. Źróło: Wikipeia, hasło Structural coloration Uproszczony moel Precyzyjny opis właściwości wymienionych wyżej ukłaów wymaga rozważenia rozchozenia się fali elektromagnetycznej w ośroku o perioycznie zmiennym współczynniku załamania 4. Interesujące może być jenak rozpatrzenie moelu skrajnie uproszczonego przestrzennej sieci punktowych centrów rozpraszających. Tutaj omówimy tylko najprostszy z takich ukłaów: jenakowych punktów oległych o, tworzących sześcienną sieć przestrzenną, nazywaną siecią kubiczną prostą (rys. 5). Ograniczymy się przy tym o przypaku: kiey promień paający jest równoległy o krawęzi sześcianów, obserwacja jest prowazona w płaszczyźnie, zacieniowanej na rysunku 5. Zob. John Timmer, Photonic crystals use to make optical RAM, ars technica, May 8, 014, http://arstechnica.com/science/014/05/photonic-crystals-use-to-make-optical-ram/. 3 Warto obejrzeć w internecie obrazy, które pojawiają się na hasła structural coloration i photonic crystals. 4 W przypaku promieni Roentgena mówmy wtey o ynamicznej teorii rozpraszania.

FOTON 13, Wiosna 016 45 Rys. 5. Sieć kubiczna prosta Warunki wzmocnienia promieniowania Aby nastąpiło wzmocnienie promieniowania rozproszonego przez rozważaną sieć przestrzenną, muszą zostać spełnione jenocześnie wa warunki (rys. 6): 1 3 Rys. 6. Wzmocnienie fal rozproszonych 1. muszą się wzmacniać fale należące o pionowego łańcucha centrów rozpraszających, zaznaczone na rysunku jako punkty 1 i ;. muszą się wzmacniać fale, należące o poziomego łańcucha centrów rozpraszających, zaznaczone na rysunku jako punkty 1 i 3. Rys. 7. Ilustracja warunków wzmocnienia fal

46 FOTON 13, Wiosna 016 Oznacza to wa warunki na różnicę róg (rys. 7), które muszą zostać spełnione jenocześnie. Pierwszy: 1 AD sin n, (1) jak la zwykłej siatki yfrakcyjnej; rugi: AC AE cos 1 cos m, () gzie m i n to liczby całkowite. Warunki 1 i możemy też zapisać w postaci: Rysunek 7 opowiaa n = 3, m = 1, 1. 5 Co wynika z warunków wzmocnienia? sin n, (3) cos 1 m. (4) Ponieśmy teraz (3) i (4) o kwaratu, oajmy o siebie stronami i skorzystajmy ze związku sin α + cos α = 1. Dostaniemy: Przekształćmy to wyrażenie: Dzielimy obie strony przez : n 1 m 1. (5) n 1 m m 1 (6) n m m 0 (7) n m m (8) n m m (9) ( )

FOTON 13, Wiosna 016 47 m n m. (10) Długości fali λ promieniowania rozproszonego nie mają owolnych wartości, a jeynie takie, które spełniają warunek (10). Oznacza to, że gybyśmy na nasz ukła skierowali wiązkę monochromatyczną, moglibyśmy nie uzyskać żanego wzmocnienia yfrakcyjnego! Różni to yfrakcję na sieciach przestrzennych o yfrakcji na sieciach jeno- i wuwymiarowych. II. Dyfrakcja światła wizialnego Przypuśćmy teraz, że stała sieci = 1 µm, a na ukła skierowaliśmy wiązkę światła białego, obejmującego cały obszar wizialny, o 0,4 µm (światło fioletowe) o 0,7 µm (światło czerwone). Nie przeanalizujemy okłanie wszystkich możliwości, ograniczymy się jeynie o kilku przykłaów. Przykła 1, m = n Jeżeli m = n, wzór (10) się upraszcza i ostajemy Oznacza to kolejno: n = 1: λ = 1 µm poczerwień; n = : λ = 0,5 µm światło wizialne zielone; n = 3: λ = 0,33 µm nafiolet. n 1. (11) n n n Za pomocą wzoru (3) ustalimy, jaki jest kąt α. Dla wszystkich trzech przypaków sin n1 1 1 n (1) Zatem α = 90, wiązka rozproszona jest prostopała o wiązki paającej. Dla n = 1 przestawia to rys. 8. 1 3 Rys. 8. Ilustracja przykłau 1

48 FOTON 13, Wiosna 016 Przykła, n = 0, m 0 Przypaek ten opowiaa rozpraszaniu ściśle wstecz. Ze wzoru (3) wynika, że sin α = 0, α = 180 (α 0, patrz alej). Wyrażenie (10) przyjmuje postać. (13) m Wzór ten poobny jest o (11), ale różni się o niego o czynnik. Ze wzorów (13) i (4) wynika, że czyli rzeczywiście α = 180. cos 1 m 1 1, (14) m Wzór (13) oznacza kolejno: m = 1: λ = µm poczerwień; m = : λ = 1 µm poczerwień; m = 3: λ = 0,667 µm światło wizialne czerwono-pomarańczowe; m = 4: λ = 0,5 µm światło zielone; m = 5: λ = 0,4 µm skrajny fiolet; m = 6: λ = 0,333 µm nafiolet. Przykła 3, n =, m owolne W tym przypaku m (15) 4 m Oznacza to: m = 1: λ = 0,4 µm skrajny fiolet, sin α = 0,8, cos α = 0,6, α = 53; m = : λ = 0,5 µm zieleń (patrz przykła 1); m = 3: λ = 0,46 µm niebieskie, sin α = 0,9, cos α = 0,39, α = 113 ; m = 4: λ = 0,4 µm skrajny fiolet, sin α = 0,8, cos α = 0,6, α = 17 ; m = 5: λ = 0,345 µm nafiolet. III. Dyfrakcja promieni Roentgena c. Powróćmy o wymienionej na początku yfrakcji promieni Roentgena na kryształach. Bliska wyżej omówionym przykłaom jest yfrakcja na krysztale chlorku potasu KCl (rys. 9). Chlorek potasu ma buowę poobną o chlorku sou. Natężenie fali rozproszonej na pojeynczym atomie lub jonie la promieni Roentgena jest w pierwszym przybliżeniu proporcjonalne o liczby elektronów.

FOTON 13, Wiosna 016 49 W przypaku jonu K + i jonu Cl liczba ta jest równa 18. Zatem sieć KCl la promieni Roentgena może być potraktowana jak sieć kubiczna prosta. Cl K + = 0,31nm Rys. 9. Buowa kryształu KCl Wynika stą, że wszystkie prowazone wyżej rozważania la fikcyjnej sieci centrów rozpraszających można po prostu zastosować o rozpraszania promieni Roentgena na KCl. Należy je tylko przeskalować, zmieniając stałą sieci z = 1 µm na = 0,31 nm. Na przykła la n =, m owolnego: m = 1: λ = 0,4 0,31 nm = 0,14 nm, sin α = 0,8, cos α = 0,6, α = 53; m = : λ = 0,5 0,31 nm = 0,155 nm, sin α = 1, α = 90; itp. Pokreślmy: Różnym plamkom na fotografii typu 3 opowiaają na ogół różne ługości fali (różne barwy rentgenowskie ), czego nie rejestruje zwykła klisza fotograficzna. Aby uzyskać obraz yfrakcyjny metoą Lauego trzeba stosować wiązkę niemonochromatyczną bo la wiązki o jenej określonej ługości fali moglibyśmy nie uzyskać żanego wzmocnienia, a co za tym izie, nie zaobserwować żanego refleksu na kliszy. Uwaga końcowa Nasz moel sieci punktowych centrów rozpraszających otyczyć może także rozpraszania innego typu fal na strukturach przestrzennych, na przykła yfrakcji neutronów na kryształach.