phys 102 – lecture 23

24
Phys 102 Lecture 23 Phys 102 Lecture 23 Diffraction 1

Upload: others

Post on 22-Jan-2022

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Phys 102 – Lecture 23

Phys 102 – Lecture 23Phys 102  Lecture 23Diffraction

1

Page 2: Phys 102 – Lecture 23

Today we will...

• Learn about diffraction – bending of light by objectsLearn about diffraction  bending of light by objectsSingle slit interference

Circular aperture interference

• Apply these conceptsResolution of optical instruments

X‐ray crystallography

Phys. 102, Lecture 23, Slide 2

Page 3: Phys 102 – Lecture 23

Single slit interference?

What happens when light passes through a small slit? 

Without diffraction With diffraction

This is NOT what happens!

Diff ti th t b di f li ht d bj tDiffraction – the apparent bending of light around an object or aperture

Phys. 102, Lecture 23, Slide 3

Page 4: Phys 102 – Lecture 23

Diffraction & Huygens’ principleCoherent, monochromatic light passes through one narrow slit

Wavelets through slit travel different distances and can interfere!and can interfere!

Phys. 102, Lecture 23, Slide 4Where are the interference maxima and minima?

Page 5: Phys 102 – Lecture 23

Single slit diffraction

Consider waves from top and bottom ½ of slit of width aAt this angle, every wave from top ½ 

21

g , y pof slit interferes destructively with corresponding wave from bottom ½

r1

r1'aa/2 θ

2

2’1’N

1a

sin2 2a λθ =

N’

2 2

1sina θ λ=1' 1r r− =Destructive:

1st minimum

2 ' 2r r− = 'N Nr r= − =Phys. 102, Lecture 23, Slide 5

Page 6: Phys 102 – Lecture 23

Single slit diffraction

Consider waves from ¼’s of slit

11’2

2’

At this angle, every wave from top ¼ of slit interferes destructively with 

r1

r1'a

a/4N

N’

2corresponding wave from next ¼

a

sin4 2a λθ =

2sin 2a θ λ=1' 1r r− =Destructive:

2nd minimumPhys. 102, Lecture 23, Slide 6

2 ' 2r r− = 'N Nr r= − =

Page 7: Phys 102 – Lecture 23

Single slit diffraction minima

Condition for sixths of slit to interfere destructively 

3sin 3a θ λ=

1

m = +2

3

m = +1

m = 1

a

m = –1

m = –2

THIS FORMULA LOCATES MINIMA!!

1, 2...m = ± ±sin ma θ mλ=In general,

THIS FORMULA LOCATES MINIMA!! 

Note the maximum at m = 0, why? Phys. 102, Lecture 23, Slide 7

Page 8: Phys 102 – Lecture 23

ACT: CheckPoint 1 

The width a of the slit in the screen is decreased

1

m = +2

m = +1

m = 1sina θ λ=

a

m = –1

m = –2

1sina θ λ=

What happens to the light pattern on the screen?

A It gets wider B Stays the same C It gets narrower

Phys. 102, Lecture 23, Slide 8

A.  It gets wider B.  Stays the same C.  It gets narrower

Page 9: Phys 102 – Lecture 23

ACT: Wide double slitsConsider a double slit where the slit width a is not negligible. The separation d between slits is such that d = 3a. p

a

d θ

a

At an angle θ where d sin θ = 3λ, what do you see on the screen?

Phys. 102, Lecture 23, Slide 9

A.  A maximum     B.  A minimum     C.  In between

Page 10: Phys 102 – Lecture 23

Diffraction in 2D

Single slit Circular apertureSquare aperture Hexagonal aperture

Phys. 102, Lecture 23, Slide 10

CheckPoint 2

Page 11: Phys 102 – Lecture 23

Diffraction from circular aperture

Central maximum1st diffraction minimum

1sin 1.22D θ λ=θ1

D

Maxima and minima will be a series of bright and dark irings on screen

Phys. 102, Lecture 23, Slide 11

Page 12: Phys 102 – Lecture 23

Demo: Resolving PowerResolving powerLight through aperture (of eye, camera, microscope, telescope, etc.) creates diffraction pattern 

cing

) p

θobj

Larger spa

θ bj

θmin

Not resolved

θobjθobj θmin

θmin

θobj

Just resolved“Diffraction limit”

Two objects are resolved only when:

obj minθ θ≥ Phys. 102, Lecture 23, Slide 12

θmin

Page 13: Phys 102 – Lecture 23

Calculation: microscope resolutionA microscope objective has an aperture size D = 6.8 mm, and a focal length f = 4 mm. What is the closest distance two green g f glight sources (λ = 530 nm) can be to resolve them? 

Use small angle approximation:θ

1.22minλθD

≈ objobj

f≈

Use small angle approximation:θmin

1 22 λfd ≥ 4mm1 22 0 7λ λ⎛ ⎞

≈ ≈⎜ ⎟D

θobjobj minθ θ≥Want:

D

f

1.22objdD

≥ 1.22 0.76.8mm

λ λ≈ ≈⎜ ⎟⎝ ⎠

D

380nm≥

Ultimate limit to resolution: 0.5objd λ≈

Phys. 102, Lecture 23, Slide 13dobj

Page 14: Phys 102 – Lecture 23

ACT: CheckPoint 3You are on a distant planet with binary suns. You decide to view them by building a pinhole camera. Light from both suns shines through the hole, but you can only see one spot on a screen.

You should make the pinhole

Phys. 102, Lecture 23, Slide 14A. Larger B. Smaller

You should make the pinhole ________

Page 15: Phys 102 – Lecture 23

ACT: Rectangular slit

A goat has a rectangular shaped pupil, with the long axis l h h i lalong the horizontal. 

In principle in which direction should a goat’s eye have

A Horizontal B Vertical

In principle, in which direction should a goat s eye have higher resolution?

Phys. 102, Lecture 23, Slide 15

A. Horizontal B. Vertical

Page 16: Phys 102 – Lecture 23

Diffraction from a crystalEM waves of short wavelength scatters off of atoms 

If there is more than one atom, scattered waves can interfere

dd

Phys. 102, Lecture 23, Slide 16

Crystals – periodic arrangements of atoms – create same interference pattern as diffraction grating!

Page 17: Phys 102 – Lecture 23

ACT: Crystal diffraction

In a NaCl crystal, the spacing between atoms is 0.282 nm. Whi h f h f ll i l h ld b dWhich of the following wavelengths could be used to see a clear diffraction pattern?

0.282 nm

A.  λ = 0.1 nm B. λ = 1 nm  C. λ = 10 nm 

Phys. 102, Lecture 23, Slide 17

Page 18: Phys 102 – Lecture 23

X‐ray crystallography

Given X‐ray wavelength λ, diffraction angles θ provide information about distance d between atoms in crystalinformation about distance d between atoms in crystal 

sin mλθ md

=

θ

d

“Photo 51” Rosalind Franklin

Phys. 102, Lecture 23, Slide 18

Crystalline fiber of DNAAs long as λ < d, small features lead to large θ. BUT need regular ordering of atoms – i.e. a crystal!

Page 19: Phys 102 – Lecture 23

Diffraction pattern of DNA

Features of pattern:p1) Layer lines2) Outer diamond3) Cross pattern1

2

33) Cross pattern4) Missing 4th layer line

1

4

Phys. 102, Lecture 23, Slide 19

“Photograph 51” – Rosalind Franklin

Page 20: Phys 102 – Lecture 23

Layer lines & diamond patternWhat features in DNA generate layer lines and diamond pattern?

P/10

DNA bases every P/10

λθP/10 = 0.34 nm 

+1+2+3

m = +5

λ

/10baseλθ

PΔ ≈

θ

10 sinP θ mλ=

Helix repeats every P

–5

–3–2–1

helixλθP

Δ ≈

sinP θ mλ=

P = 3.4 nm 

every P

Note that large (small) distances

sinP θ mλ

Phys. 102, Lecture 23, Slide 20

Note that large (small) distances diffract to small (large) angles

Page 21: Phys 102 – Lecture 23

Cross patternWhy does DNA diffraction generate cross pattern?

Slit pattern

InterferenceStrands are tilted at an Interference 

patterntilted at an angle

Key to discovery of helix structureP = 3.4 nm 

Phys. 102, Lecture 23, Slide 21

Key to discovery of helix structure

Light diffracted ⊥ to slit

Page 22: Phys 102 – Lecture 23

ACT: DNA cross pattern

You discover a new structure of DNA in which the diffraction pattern is the same as the “normal” DNA in every respectpattern is the same as the  normal  DNA in every respect EXCEPT that the cross makes a more acute angle α

“Normal” DNA New form of DNA

α α

Δθ Δθ

Which statement regarding the new DNA structure  must be true?A.  It cannot be a helix

B Th h li di P b diff

Phys. 102, Lecture 23, Slide 22

B.  The helix repeat distance Pmust be different  

C.  The helix tilt angle must be different

Page 23: Phys 102 – Lecture 23

Missing 4th layerWhy is there no interference maximum at m = 4?

“Missing order”

θ

4sin 4P θ λ=Two DNA helices

m = +4

θ4

Two DNA helices shifted by 3P/8 (“minor groove”)  m = –4

3 sinP θ3P/8 = 1.3 nm 

3 4 38 2P λP λ= =

K t di f d bl h li

31 2 48 sinPr r θ− =

Phys. 102, Lecture 23, Slide 23

Key to discovery of double helix Waves from helix 1 and 2 interfere destructively!

Page 24: Phys 102 – Lecture 23

Summary of today’s lecture

• Single‐slit diffractiongInterference minima:

• Circular aperture diffractionsin ma θ mλ= 1, 2...m = ± ±

pFirst interference minimum:

• Resolution in optical instruments1sin 1.22D θ λ=

Angle subtended by objects ≥ angle of first diffraction minimum

• X‐ray diffractionSmall distances ‐> large diffraction angles

Phys. 102, Lecture 23, Slide 24