为甚么绕射光栅会在特定方向产生亮纹?

绕射光栅可以将两个原本看起来混成一片模糊颜色的波长,分离成两条清晰的亮线。这正是绕射光栅的主要用途:它不只是产生干涉图样,还能精确地分离不同波长,让光谱仪能够辨别它们。 假设两种黄光的波长相差不到 \(1\text{ nm}\)。你认为,使用两条狭缝,还是两千条等间距的狭缝,能更清楚地将它们分开?狭缝间距固然重要,但还有另一个因素。当狭缝数量很多时,明亮的干涉极大值会变得非常狭窄,因此相近波长的光

绕射光栅可以将两个原本看起来混成一片模糊颜色的波长,分离成两条清晰的亮线。这正是绕射光栅的主要用途:它不只是产生干涉图样,还能精确地分离不同波长,让光谱仪能够辨别它们。

假设两种黄光的波长相差不到 \(1\text{ nm}\)。你认为,使用两条狭缝,还是两千条等间距的狭缝,能更清楚地将它们分开?狭缝间距固然重要,但还有另一个因素。当狭缝数量很多时,明亮的干涉极大值会变得非常狭窄,因此相近波长的光较不容易重叠成同一个峰值。

因此,我们需要理解两件不同的事:光谱极大值会出现在哪些位置,以及光栅能多精确地分辨相近的波长。

01为甚么绕射光栅会在特定方向产生亮纹?

先考虑光栅中两条相邻的狭缝。来自两条狭缝的光都朝向远处的同一点传播,但其中一条光线通常需要走稍长的距离。

Two neighbouring diffraction grating slits separated by d emit parallel rays at angle theta to the normal; a perpendicular wavefront construction shows the path difference d sin theta.
The path difference between rays from neighbouring grating slits is the projection of the slit spacing along the ray direction: d sin theta.

两条光线的额外路程差为

\[ d\sin\theta \]

其中:

  • \(d\) 是相邻狭缝之间的距离,单位为米,
  • \(\theta\) 是出射光线与光栅法线之间的夹角。

现在试著预测:甚么情况下,两列波会同相到达并互相增强?是路程差为半个波长,还是整数倍波长?

答案是整数倍波长。如果第二列波比第一列波多走了刚好 \(1\lambda\)、\(2\lambda\)、\(3\lambda\),如此类推,那么波峰仍会与波峰同时到达。

因此,明亮的主极大值满足

\[ d\sin\theta=m\lambda \]

其中:

  • \(\lambda\) 是光的波长,单位为米,
  • \(m\) 是极大值的级次:\(0,\pm1,\pm2,\ldots\)。

中央极大值的 \(m=0\),因此 \(\theta=0^\circ\)。第一级极大值的 \(m=\pm1\),第二级极大值的 \(m=\pm2\),如此类推。

这与双狭缝干涉中的相长干涉条件相同。如果你对这部分的概念有点生疏,可以阅读 双狭缝干涉指南 复习。

我们可以用一个简单的比喻来理解光栅:想像一大群人尝试同步拍手。在某些特定方向上,来自每条狭缝的波都恰好「同步拍手」,因此各波的振幅会强烈叠加。只要稍微偏离这些方向,整组波的相位便会逐渐出现差异。

这个比喻有助理解相位,但也有其局限。狭缝并不是各自决定何时发光的独立小物体。光栅实际上是将同一个相干波前分开,而产生的各个波振幅会互相叠加。

02如何将每毫米刻线数转换为狭缝间距

题目经常会以「每毫米 500 条刻线」等方式描述光栅,而不是直接给出 \(d\)。

如果刻线密度为 \(n\),则

\[ d=\frac{1}{n} \]

前提是 \(n\) 和 \(d\) 所使用的单位必须一致。

例如,每毫米 \(500\) 条刻线表示

\[ 500\text{ 条刻线 mm}^{-1} =500\,000\text{ 条刻线 m}^{-1}. \]

因此,

\[ d=\frac{1}{500\,000} =2.00\times10^{-6}\text{ m}. \]

一个非常常见的错误,是直接将 \(500\) 代入 \(d=1/n\),然后把计算结果当成以米为单位的数值。必须先完成单位转换。

解题示例:求绕射角及最高级次

某绕射光栅每毫米有 \(500\) 条刻线。波长为 \(600\text{ nm}\) 的单色光垂直入射光栅。计算前三个级次的绕射角,并判断第四级极大值能否存在。

步骤 1

\[ n=500\times1000 =5.00\times10^5\text{ m}^{-1} \]

步骤 2

\[ d=\frac{1}{n} =\frac{1}{5.00\times10^5} =2.00\times10^{-6}\text{ m} \]

波长为

\[ \lambda=600\text{ nm} =6.00\times10^{-7}\text{ m}. \]

步骤 3

当 \(m=1\) 时,

\[ \sin\theta =\frac{(1)(6.00\times10^{-7})}{2.00\times10^{-6}} =0.300 \]

因此,

\[ \theta=17.5^\circ. \]

步骤 4

当 \(m=2\) 时,

\[ \sin\theta =\frac{2(6.00\times10^{-7})}{2.00\times10^{-6}} =0.600, \]

因此,

\[ \theta=36.9^\circ. \]

当 \(m=3\) 时,

\[ \sin\theta =\frac{3(6.00\times10^{-7})}{2.00\times10^{-6}} =0.900, \]

因此,

\[ \theta=64.2^\circ. \]

步骤 5

当 \(m=4\) 时,

\[ \sin\theta =\frac{4(6.00\times10^{-7})}{2.00\times10^{-6}} =1.20. \]

但 \(\sin\theta\) 不可能大于 \(1\)。因此,第四级极大值不可能存在。

光栅所产生的第一级、第二级和第三级极大值,分别位于 \(17.5^\circ\)、\(36.9^\circ\) 和 \(64.2^\circ\)。第三级是可能出现的最高级次。

03快速求出可能出现的最高级次

由于

\[ \sin\theta\leq1, \]

光栅方程式必须满足

\[ \frac{m\lambda}{d}\leq1. \]

因此,

\[ m\leq\frac{d}{\lambda}. \]

符合此条件的最大整数,就是可能出现的最高级次。

以上一个例子为例,

\[ \frac{d}{\lambda} =\frac{2.00\times10^{-6}}{6.00\times10^{-7}} =3.33, \]

因此最高级次为 \(m=3\)。

还有一个值得注意的实际情况。如果计算结果恰好是 \(\sin\theta=1\),则 \(\theta=90^\circ\)。这在数学上是允许的,但光线会沿著平行于光栅表面的方向传播,因此通常无法在实际光谱仪中有效利用。

04为甚么光栅能分离不同波长?

现在想像两种不同波长的光通过同一个光栅。

对于固定的级次 \(m\),

\[ d\sin\theta=m\lambda. \]

如果 \(d\) 和 \(m\) 保持不变,而 \(\lambda\) 增加,\(\sin\theta\) 就必须增加。因此,波长较长的光会出现在较大的角度。

这就是光栅能将白光分散成光谱的原因。在同一级光谱中,红光与中央的夹角比紫光更大。

Diffraction grating spectrum with a central white maximum at m = 0 and symmetric first-order spectra, with violet closer to the centre and red further away.
In each first-order spectrum, shorter violet wavelengths appear closer to the central maximum, while longer red wavelengths appear at larger angles.

留意 \(m=0\) 有一个特别之处:

\[ d\sin0^\circ=0. \]

所有波长都符合这个条件。因此,中央极大值不会将不同波长分开。光谱分离只会在非零级次开始出现。

对于两个相近的波长,可以使用以下近似式:

\[ \Delta\theta\approx \frac{m\Delta\lambda}{d\cos\theta}, \]

其中 \(\Delta\lambda\) 是两者的波长差,而 \(\Delta\theta\) 是它们之间以弧度表示的微小角度差。

这告诉我们,在一般情况下,以下因素会使相近波长的角度分离更加明显:

  • 级次 \(m\) 较大,
  • 狭缝间距 \(d\) 较小,
  • 绕射角较大。

较小的 \(d\) 代表每毫米有更多光栅刻线。

但角度分离只是问题的一半。

05分离程度不等于解析度

想像两条光谱线的极大值相距 \(0.05^\circ\)。

听起来似乎不错。但如果每个亮峰的宽度都是 \(0.10^\circ\),会怎样?两个峰会严重重叠,看起来很可能只是一条线。

现在假设两个极大值仍然相距 \(0.05^\circ\),但每个峰都非常狭窄。这时便可以分辨出两条线。

这就是解析度所涉及的关键区别。

绕射光栅能提高波长解析度,是因为大量等间距狭缝所形成的主极大值,比双狭缝装置产生的主极大值狭窄得多。

为甚么会这样?

在主极大值的确切方向上,来自每条狭缝的波都同相到达。只要稍微偏离这个角度,相邻狭缝的波之间便会出现微小的相位差。

如果只有两条狭缝,这种微小的相位不匹配不会立即令亮纹消失。

但如果有数百甚至数千条狭缝,这种相位不匹配便会在整个光栅上逐渐累积。来自光栅不同位置的波因而产生强烈的相消干涉,使强度在主极大值两侧迅速下降。

Graph of relative intensity against angle comparing two-slit interference with a many-slit diffraction grating; both have maxima at the same angles, but the grating peaks are much narrower.
Adding many equally spaced slits keeps the principal maxima at the same interference angles but makes each bright peak much narrower, improving resolution.

这带出一个重要区别:

改变主要影响
减小 \(d\),即增加每毫米的刻线数通常会增加不同波长之间的角度分离
增加受光照射的狭缝数量 \(N\)使主极大值变得更狭窄
增加绕射级次 \(m\)同时提高光谱色散程度及理想分辨本领

单狭缝绕射图样仍然很重要,因为每条狭缝都有有限的宽度。它会形成整体的绕射包络线,影响各个光栅极大值的强度。光的绕射指南 对这部分有更详细的解释。

06理想绕射光栅的分辨本领

对于理想光栅,其分辨本领可表示为

\[ R=\frac{\lambda}{\Delta\lambda_{\min}}=mN \]

其中:

  • \(R\) 是分辨本领,
  • \(\lambda\) 是正在观察的光波长,
  • \(\Delta\lambda_{\min}\) 是刚好能被分辨的最小波长差,
  • \(m\) 是绕射级次,
  • \(N\) 是受光照射的光栅刻线总数。

因此,

\[ \Delta\lambda_{\min} =\frac{\lambda}{mN}. \]

\(mN\) 的数值越大,波长解析度就越高。

不要将 \(N\)(受光照射的刻线总数)与刻线密度混淆。

如果光栅的刻线密度为 \(n\),而受光照射的宽度为 \(W\),则近似有

\[ N=nW, \]

前提是各单位一致。

例如,某光栅每毫米有 \(600\) 条刻线,而受光照射的宽度为 \(4.0\text{ mm}\),则

\[ N=(600)(4.0)=2400 \]

即共有 \(2400\) 条刻线受到光照射。

这个分辨本领公式描述的是理想光栅。实际光谱仪的表现还可能受到入射狭缝、探测器解析度、光学像差、对准情况及其他因素限制。

解题示例:能否分辨两个非常接近的波长?

某光栅每毫米有 \(600\) 条刻线,受光照射的光栅宽度为 \(4.0\text{ mm}\)。两条光谱线的波长分别为 \(589.0\text{ nm}\) 和 \(589.6\text{ nm}\)。判断在理想情况下,能否利用第二级光谱分辨它们。

步骤 1

\[ N=(600\text{ 条刻线 mm}^{-1})(4.0\text{ mm}) =2400 \]

步骤 2

这里 \(m=2\),因此

\[ R=mN=(2)(2400)=4800. \]

步骤 3

使用约 \(589.3\text{ nm}\) 作为代表波长,

\[ \Delta\lambda_{\min} =\frac{\lambda}{R} =\frac{589.3\text{ nm}}{4800} =0.123\text{ nm}. \]

步骤 4

\[ \Delta\lambda =589.6-589.0 =0.600\text{ nm}. \]

由于

\[ 0.600\text{ nm}>0.123\text{ nm}, \]

因此,在理想情况下,这两条光谱线可以被分辨。

重点不只是两个极大值出现在略有不同的角度。光栅具有足够多的受光照射刻线,并使用足够高的绕射级次,使亮峰变得够狭窄,从而能够区分这两个波长。

07不要假设每毫米刻线数越多就一定「越好」

这是一个很容易令人采用的简化判断。

较高的刻线密度代表较小的间距 \(d\)。根据

\[ d\sin\theta=m\lambda, \]

在同一级次中,这通常会产生较大的绕射角,以及相近波长之间更大的角度分离。

到目前为止,这个推论没有问题。

但较小的 \(d\) 同时会限制可出现的级次,因为

\[ m\lambda\leq d. \]

因此,刻线密度非常高的光栅,可能完全无法产生第二级、第三级或更高级的极大值。

这一点很重要,因为分辨本领为

\[ R=mN. \]

刻线密度较低的光栅,虽然受光照射的刻线数量可能较少,却可能容许更高的绕射级次。在某些情况下,它的分辨本领可以等于甚至超过刻线密度较高的光栅。

因此,正确的问题不是「哪个光栅每毫米有更多刻线?」

而是「实际上可以使用甚么级次,以及有多少条刻线受到光照射?」

08其他值得留意的常见陷阱

只要弄清楚每个物理量控制甚么,光栅题目通常就会容易得多。

如果你需要求出……应从以下公式开始……
根据刻线密度求狭缝间距\(d=1/n\)
光谱极大值的角度\(d\sin\theta=m\lambda\)
可能出现的最高级次\(m\leq d/\lambda\)
受光照射的刻线数量\(N=nW\)
理想分辨本领\(R=mN\)
最小可分辨波长差\(\Delta\lambda_{\min}=\lambda/(mN)\)

另外,也要留意以下常见误解。

绕射角并不会与级次成正比增加。真正与级次成正比的是 \(\sin\theta\):

\[ \sin\theta=\frac{m\lambda}{d}. \]

因此,将 \(m\) 加倍,通常不会令 \(\theta\) 加倍。

光栅间距 \(d\) 也不是单一狭缝的宽度。狭缝间距决定干涉极大值的位置,而每条狭缝本身的宽度则有助决定绕射包络线。

最后,如果题目涉及屏幕,就必须考虑几何关系。如果屏幕与光栅之间的垂直距离为 \(L\),而某个极大值与中央位置的位移为 \(x\),则

\[ x=L\tan\theta. \]

除非有充分理由使用小角度近似,否则不要将 \(\tan\theta\) 直接替换为 \(\sin\theta\)。

09题目与解答

题目 1

某绕射光栅每毫米有 \(400\) 条刻线。波长为 \(500\text{ nm}\) 的光垂直入射光栅。

计算第一级极大值的绕射角。

解答 1

第一级极大值出现在与法线约成 \(11.5^\circ\) 的方向。

首先转换刻线密度:

\[ n=400\times1000 =4.00\times10^5\text{ m}^{-1}. \]

因此,

\[ d=\frac{1}{n} =\frac{1}{4.00\times10^5} =2.50\times10^{-6}\text{ m}. \]

对于第一级,\(m=1\),而

\[ \lambda=500\text{ nm} =5.00\times10^{-7}\text{ m}. \]

利用

\[ d\sin\theta=m\lambda, \]

可得

\[ \sin\theta =\frac{(1)(5.00\times10^{-7})}{2.50\times10^{-6}} =0.200. \]

因此,

\[ \theta=\sin^{-1}(0.200)=11.5^\circ. \]

常见陷阱是将 \(400\text{ 条刻线 mm}^{-1}\) 误当成 \(400\text{ m}^{-1}\)。在计算 \(d\) 之前先转换刻线密度,就能避免这个错误。

题目 2

某光栅每毫米有 \(600\) 条刻线。入射光包含波长为 \(450\text{ nm}\) 和 \(650\text{ nm}\) 的光。

探测器只能接收中央两侧绕射角不超过 \(50^\circ\) 的光。

对每个波长,判断实际上会记录到哪些非零级次的绕射极大值。

解答 2

对于 \(450\text{ nm}\) 的光,探测器会记录到第一级和第二级极大值;但对于 \(650\text{ nm}\) 的光,只会记录到第一级极大值。

首先求光栅间距:

\[ n=600\times1000 =6.00\times10^5\text{ m}^{-1}, \]

因此

\[ d=\frac{1}{6.00\times10^5} =1.667\times10^{-6}\text{ m}. \]

对于 \(450\text{ nm}\),第一级为

\[ \sin\theta_1 =\frac{450\times10^{-9}}{1.667\times10^{-6}} =0.270, \]

得到

\[ \theta_1=15.7^\circ. \]

第二级为

\[ \sin\theta_2 =\frac{2(450\times10^{-9})}{1.667\times10^{-6}} =0.540, \]

因此

\[ \theta_2=32.7^\circ. \]

第三级为

\[ \sin\theta_3 =\frac{3(450\times10^{-9})}{1.667\times10^{-6}} =0.810, \]

因此

\[ \theta_3=54.1^\circ. \]

第三级极大值在物理上确实存在,但它超出了探测器的 \(50^\circ\) 接收范围。因此,对于 \(450\text{ nm}\) 的光,探测器只会记录 \(m=1\) 和 \(m=2\)。

对于 \(650\text{ nm}\),

\[ \sin\theta_1 =\frac{650\times10^{-9}}{1.667\times10^{-6}} =0.390, \]

因此

\[ \theta_1=23.0^\circ. \]

对于第二级,

\[ \sin\theta_2 =\frac{2(650\times10^{-9})}{1.667\times10^{-6}} =0.780, \]

得到

\[ \theta_2=51.3^\circ. \]

这个极大值同样存在,但刚好超出了探测器的接收角度限制。

容易犯的错误,是只考虑某个级次在数学上是否可能存在。即使某个级次符合 \(\sin\theta\leq1\),如果仪器无法接收该角度的光,仍然可能无法探测到它。

题目 3

某光栅对波长为 \(520\text{ nm}\) 的光,在 \(20.0^\circ\) 方向产生第一级极大值。

求出:

  • 光栅间距,
  • 以每毫米刻线数表示的刻线密度,
  • 波长为 \(650\text{ nm}\) 的光的第一级绕射角,
  • 波长为 \(520\text{ nm}\) 的光的第二级极大值角度。

一名学生声称,最后一题的答案必定是 \(40.0^\circ\),因为级次加倍了。解释他的错误。

解答 3

光栅间距为 \(1.52\times10^{-6}\text{ m}\),刻线密度约为 \(658\text{ 条刻线 mm}^{-1}\),\(650\text{ nm}\) 光的第一级极大值约位于 \(25.3^\circ\),而 \(520\text{ nm}\) 光的第二级极大值约位于 \(43.2^\circ\),并不是 \(40.0^\circ\)。

对于已知的第一级极大值,

\[ d\sin20.0^\circ=(1)(520\times10^{-9}\text{ m}). \]

因此,

\[ d =\frac{520\times10^{-9}}{\sin20.0^\circ} =1.52\times10^{-6}\text{ m}. \]

刻线密度为

\[ n=\frac{1}{d} =\frac{1}{1.52\times10^{-6}} \approx6.58\times10^5\text{ m}^{-1}. \]

由于 \(1000\text{ mm}=1\text{ m}\),

\[ n\approx658\text{ 条刻线 mm}^{-1}. \]

对于 \(650\text{ nm}\) 的第一级,

\[ \sin\theta =\frac{650\times10^{-9}}{1.52\times10^{-6}} \approx0.428, \]

因此

\[ \theta\approx25.3^\circ. \]

对于 \(520\text{ nm}\) 的第二级,

\[ \sin\theta =\frac{2(520\times10^{-9})}{1.52\times10^{-6}} \approx0.684, \]

得到

\[ \theta\approx43.2^\circ. \]

这名学生的预测看起来合理,因为 \(m\) 直接出现在光栅方程式中。然而,方程式实际表示的是

\[ \sin\theta\propto m, \]

而不是

\[ \theta\propto m. \]

将级次加倍,会使 \(\sin\theta\) 加倍,而不是令角度本身加倍。正是 \(\theta\) 与 \(\sin\theta\) 之间的非线性关系,导致计算结果不同。

题目 4

现有两个光栅,可用来分离接近 \(500\text{ nm}\) 的光谱线。

光栅 A 每毫米有 \(600\) 条刻线。

光栅 B 每毫米有 \(1200\) 条刻线。

两个光栅各有 \(2.0\text{ mm}\) 的宽度受到光照射。光谱仪可以接收任何满足 \(\theta<80^\circ\) 的极大值。

两条光谱线的波长分别为 \(500.00\text{ nm}\) 和 \(500.18\text{ nm}\)。

对每个光栅:

  • 求出最高可用绕射级次,
  • 计算该级次的理想分辨本领,
  • 判断能否分辨这两个波长。

解释为甚么单纯选择刻线密度较高的光栅,会得出错误的结论。

解答 4

光栅 A 在理想情况下可以利用第三级分辨这两个波长,而光栅 B 即使使用其最高可用级次,也无法分辨它们。这里刻线密度较低的光栅表现更好,因为它能使用更高的绕射级次,而这个优势足以弥补其受光照射刻线数量较少的不足。

对于光栅 A,

\[ n_A=600\text{ 条刻线 mm}^{-1}, \]

因此

\[ d_A=\frac{1}{600\,000} =1.667\times10^{-6}\text{ m}. \]

对于接近 \(500\text{ nm}\) 的光,可能出现的最高级次须满足

\[ m\leq\frac{d_A}{\lambda} =\frac{1.667\times10^{-6}}{500\times10^{-9}} =3.33. \]

因此最高级次为 \(m=3\)。

检查仪器能否接收这个级次:

\[ \sin\theta =\frac{3(500\times10^{-9})}{1.667\times10^{-6}} =0.900, \]

因此

\[ \theta=64.2^\circ, \]

小于 \(80^\circ\)。

受光照射的刻线数量为

\[ N_A=(600)(2.0)=1200. \]

因此,

\[ R_A=mN=(3)(1200)=3600. \]

最小可分辨波长差约为

\[ \Delta\lambda_{\min,A} =\frac{500\text{ nm}}{3600} =0.139\text{ nm}. \]

由于

\[ 0.180\text{ nm}>0.139\text{ nm}, \]

光栅 A 在理想情况下可以分辨这两条光谱线。

对于光栅 B,

\[ d_B =\frac{1}{1.20\times10^6} =8.33\times10^{-7}\text{ m}. \]

允许的级次须满足

\[ m\leq \frac{8.33\times10^{-7}}{500\times10^{-9}} =1.67. \]

因此只有 \(m=1\) 可用。

受光照射的刻线数量为

\[ N_B=(1200)(2.0)=2400. \]

所以

\[ R_B=(1)(2400)=2400. \]

其最小可分辨波长差为

\[ \Delta\lambda_{\min,B} =\frac{500\text{ nm}}{2400} =0.208\text{ nm}. \]

由于

\[ 0.180\text{ nm}<0.208\text{ nm}, \]

光栅 B 在理想情况下无法分辨这两个波长。

一个很容易令人采用的解题方法,是注意到光栅 B 每毫米的刻线数是光栅 A 的两倍,因此受光照射的刻线数也是两倍。这确实正确,但并不完整。

光栅 B 的狭缝间距较小,使第二级和第三级无法出现。由于分辨本领取决于 \(mN\) 的乘积,光栅 A 的第三级可达到

\[ 3\times1200=3600, \]

而光栅 B 只能达到

\[ 1\times2400=2400. \]

绕射级次绝不是无关紧要的细节,它会直接改变结果。

题目 5

三个光栅均有相同的受光照射宽度 \(10.0\text{ mm}\)。现考虑使用它们分辨两条接近 \(480\text{ nm}\)、波长相差 \(0.030\text{ nm}\) 的光谱线。

  • 光栅 A:每毫米 \(500\) 条刻线
  • 光栅 B:每毫米 \(1000\) 条刻线
  • 光栅 C:每毫米 \(1250\) 条刻线

假设光栅是理想的,并且可以使用物理上允许的最高非零级次。

对每个光栅,求出最高允许级次及最大理想分辨本领。判断哪些光栅能够分辨这两条光谱线。

然后利用 \(d\sin\theta=m\lambda\) 和 \(R=mN\),解释为甚么当受光照射的宽度固定时,增加刻线密度并不保证最大可能分辨本领会提高。

解答 5

光栅 A 和 B 的最大理想分辨本领相同,均为 \(20\,000\),因此可以分辨 \(0.030\text{ nm}\) 的波长差;光栅 C 的最大分辨本领则较低,只有 \(12\,500\),因此无法分辨。关键限制在于,增加刻线密度虽然会增加 \(N\),却也可能同时迫使最高可用级次 \(m\) 降低。

对于光栅 A,

\[ d_A =\frac{1}{500\,000} =2.00\times10^{-6}\text{ m}. \]

当 \(\lambda=480\text{ nm}\) 时,

\[ m\leq \frac{2.00\times10^{-6}}{480\times10^{-9}} =4.17. \]

因此,

\[ m_{\max,A}=4. \]

受光照射的刻线数量为

\[ N_A=(500)(10.0)=5000. \]

所以

\[ R_{\max,A}=mN=(4)(5000)=20\,000. \]

因此

\[ \Delta\lambda_{\min,A} =\frac{480\text{ nm}}{20\,000} =0.0240\text{ nm}. \]

由于 \(0.030\text{ nm}>0.0240\text{ nm}\),光栅 A 在理想情况下可以分辨这两条光谱线。

对于光栅 B,

\[ d_B =\frac{1}{1.00\times10^6} =1.00\times10^{-6}\text{ m}. \]

因此,

\[ m\leq \frac{1.00\times10^{-6}}{480\times10^{-9}} =2.08, \]

所以

\[ m_{\max,B}=2. \]

受光照射的刻线数量为

\[ N_B=(1000)(10.0)=10\,000. \]

因此,

\[ R_{\max,B} =(2)(10\,000) =20\,000. \]

同样地,

\[ \Delta\lambda_{\min,B} =\frac{480\text{ nm}}{20\,000} =0.0240\text{ nm}. \]

因此,光栅 B 也能分辨 \(0.030\text{ nm}\) 的波长差。

对于光栅 C,

\[ d_C =\frac{1}{1.25\times10^6} =8.00\times10^{-7}\text{ m}. \]

级次必须满足

\[ m\leq \frac{8.00\times10^{-7}}{480\times10^{-9}} =1.67. \]

因此,

\[ m_{\max,C}=1. \]

受光照射的刻线数量为

\[ N_C=(1250)(10.0)=12\,500. \]

其最大理想分辨本领为

\[ R_{\max,C} =(1)(12\,500) =12\,500. \]

因此,

\[ \Delta\lambda_{\min,C} =\frac{480\text{ nm}}{12\,500} =0.0384\text{ nm}. \]

由于

\[ 0.030\text{ nm}<0.0384\text{ nm}, \]

光栅 C 在理想情况下无法分辨这两条光谱线。

更深一层的结论,可以透过结合两个主要限制条件得出。

对于任何可能存在的级次,

\[ m\lambda\leq d, \]

因此

\[ m\leq\frac{d}{\lambda}. \]

如果受光照射的光栅宽度为 \(W\),则受光照射的刻线数量近似为

\[ N=\frac{W}{d}. \]

由于

\[ R=mN, \]

最大可能值受到以下关系限制:

\[ R \leq \frac{d}{\lambda}\frac{W}{d} =\frac{W}{\lambda}. \]

间距 \(d\) 在式中互相抵消。

这就是整个推论的关键。在相同宽度内排列更多刻线,会提高 \(N\),但较小的间距也会减少能够存在的绕射级次。在理想化的连续变化分析中,这两种影响可以互相抵消。但在实际光栅中,\(m\) 必须是整数,因此可达到的分辨本领会呈阶梯式变化。

这就解释了起初看似奇怪的结果。光栅 B 的刻线密度是 A 的两倍,但其最高级次只有 A 的一半,因此两者的 \(mN\) 乘积完全相同:

\[ (4)(5000)=(2)(10\,000)=20\,000. \]

光栅 C 进一步提高了刻线密度,但其第二级已经不可能在物理上出现。额外增加的受光照射刻线数量,仍不足以弥补失去的绕射级次。

10接下来可以进一步理解甚么?

光栅方程式告诉我们每个波长的光会出现在哪个方向。分辨本领则告诉我们,当两个相近波长的光到达各自的位置后,是否仍然能够被区分。

下一步值得学习的是,将这些现象与一般的干涉和绕射概念连系起来。光栅狭窄而尖锐的主极大值来自多狭缝干涉,而它们的整体亮度则部分受到每条狭缝各自产生的绕射图样控制。结合这些概念,我们不但能解释光谱出现的位置,还能理解为甚么某些级次可能很明亮、很微弱,甚至实际上完全看不见。