陳祉尹
摘 要:光是物理研究的重要對象,但在高中階段對光的認(rèn)識是有限的。光的干涉和衍射現(xiàn)象是光的波動性的表現(xiàn),它們都是光振動的疊加,其本質(zhì)是相同的。很多同學(xué)認(rèn)為判別這兩種現(xiàn)象很難,本文將從多方面講解兩種現(xiàn)象的不同與相同之處。
關(guān)鍵詞:光的干涉 光的衍射 波面 光程差
中圖分類號:0415 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-9082(2018)02-0-01
光是一種電磁波,而干涉與衍射現(xiàn)象就是波動性的典型。若有幾列波同時在一介質(zhì)中傳播,而且這幾列波在空間某點相遇,在其相遇的區(qū)域內(nèi),任何一點處質(zhì)點的振動為各列波單獨在該點引起的振動的合振動,即在任一時刻,該點處質(zhì)點的振動位移是各個波在該點所引起的位移的矢量和,這一規(guī)律稱為波的疊加原理[1]。
一、光的干涉
兩列或幾列光波在空間相遇時互相疊加,在某些區(qū)域始終加強,在另一些區(qū)域始終削弱,形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象被稱作光的干涉。通常的獨立光源是不相干的,不同的原子輻射的光波波列的初相位之間是沒有一定規(guī)則的,這導(dǎo)致通常的探測儀器無法探測短暫的干涉現(xiàn)象。由于上世紀(jì)六七十年代激光的問世,光源的相干性大大提高。實現(xiàn)干涉的關(guān)鍵是保持光的相位差恒定,為了解決發(fā)光機(jī)制中初相位無規(guī)則迅速變化和干涉條紋形成要求相位差恒定的矛盾,解決辦法是將同一原子所發(fā)出的光波分解成兩列,使分光束通過不同的光程,這樣即使原始光源的初相位變化頻繁,相位差仍然穩(wěn)定[2]。以楊氏雙縫干涉實驗為例,如圖1,圖中有D>>d,即屏幕到狹縫的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙縫間距,此時有。設(shè)兩光源的振動方程為,,在P點引起的振動方程為
二、光的衍射
光繞過障礙物偏離直線傳播而進(jìn)入幾何陰影并在屏幕上出現(xiàn)光強不均勻分布的現(xiàn)象被稱作光的衍射。光的衍射現(xiàn)象是光的波動性的最直接有力的實驗證據(jù)。在研究波的傳播時,總是可以找到同相位各點的幾何位置,這些點的軌跡是一個等相面,叫做波面。惠更斯建立了惠更斯原理,即任何時刻波面的每一點都可以作為子波的波源,各自發(fā)出球面子波。在以后的任何時刻,所有子波的波面的包絡(luò)形成整個波在該時刻的新的波面?;莞乖砟軐獾闹鄙?、反射和折射進(jìn)行完美的解釋,但是由于不涉及波的時空周期特性,不能夠進(jìn)行定量的研究。實際上,光的衍射是很細(xì)微的,需要能夠掌握空間中每一點的振幅,才能夠精確解釋衍射現(xiàn)象。菲涅耳對惠更斯的假設(shè)進(jìn)行了補充,發(fā)展成為了菲涅耳—惠更斯原理,即波面上的每個面積元都可以看成新的波源,它們都發(fā)出子波。波面前空間某一點的振動可以由波面上所有面積元所發(fā)出的子波在該點疊加后的合振幅來表示。以單縫的夫瑯禾費衍射實驗為例,如圖2,線光源從S放在透鏡L1的主焦面上,從透鏡L1穿出的光線為一束平行光。設(shè)狹縫的寬度為a,平行光束垂直地照射到狹縫上,位于另一側(cè)的透鏡L2的焦平面處的平面上產(chǎn)生明暗相間的條紋。衍射圖樣是由同一波陣面上各點發(fā)出的子波在空間某點相遇時相干疊加形成的。衍射是無數(shù)個波束疊加的效應(yīng)。。當(dāng),即時,在O點形成中央明紋,在P點出現(xiàn)暗紋的條件 ,(k=,…),除了中央明紋,其它各級明紋出現(xiàn)的條件是,(k=,…)。
三、干涉和衍射的區(qū)別和聯(lián)系
在光的干涉現(xiàn)象中,縫寬a<<,每個小縫相當(dāng)于一個線光源,其發(fā)出的子波的振幅可以認(rèn)為是均勻的,每個子波都是以直線傳播的模型來描寫的。光的干涉強調(diào)的是有限的幾列光波的相干疊加,疊加過程是對有限量的求和[3]。光的衍射則不然,縫寬a與波長可相比擬。由于波陣面上有無數(shù)個次級波,且這些波都是滿足相干條件的,所以光的衍射強調(diào)的是無數(shù)多個子波相干疊加,疊加過程是一個積分求和的過程。總之,干涉是有限光束的疊加,衍射是無限束光疊加的結(jié)果。
光的干涉和衍射現(xiàn)象雖然都能夠在屏幕上看到明暗相間的條紋,但是條紋明暗分布是不同的。在楊氏雙縫干涉實驗中,光的干涉是從雙縫發(fā)出的兩列等幅光波在屏幕上疊加,產(chǎn)生的干涉條紋是平行且寬度相同的,中央條紋和兩側(cè)的條紋是沒有區(qū)別的,且明暗程度也基本相當(dāng),即能量也是均勻分布的。在單縫衍射實驗中,光的衍射是從單縫產(chǎn)生了無數(shù)的子波,這些子波到達(dá)屏幕的時候相互疊加,產(chǎn)生的衍射條紋是中間亮條紋又寬又亮,兩側(cè)的條紋明顯變窄,且亮度也明顯減弱,能量分布明顯是不均勻的。
兩者也有相同之處,首先,兩種現(xiàn)象的本質(zhì)都是波的疊加相干性,其次,兩者都是波的波動性的有力證明。本質(zhì)上來說,兩者可以視為一個統(tǒng)一的現(xiàn)象,都是波場相干疊加的結(jié)果。干涉與衍射的圖像也有相似之處,都是明暗相間的條紋。
四、結(jié)論
光的干涉和遠(yuǎn)射都是光的波動性的表現(xiàn),都是光在遇到障礙物之后所表現(xiàn)出的光強分布不均勻現(xiàn)象,兩者之間既存在著相同的共性,也存在著不同的個性。由于光是一種波,遇到障礙物總要產(chǎn)生疊加效應(yīng),這對光的干涉和衍射來說是相同的,但是兩者又是區(qū)別的,光的干涉強調(diào)光沿直線傳播,由有限的相干波疊加,光的衍射強調(diào)光的非直線傳播,由無限的子波相干疊加。
參考文獻(xiàn)
[1]王瑋,孫家法. 從光程差看光的干涉與衍射現(xiàn)象的本質(zhì)區(qū)別[J]. 淮北師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,(01):39-41.
[2]宣桂鑫. 光的干涉和衍射的區(qū)別和聯(lián)系[J]. 物理教學(xué),2010,(11):8-12.
[3]屈雙惠,侯維娜,楊志宏,馬志春. 光的干涉與衍射的區(qū)別與聯(lián)系[J]. 石家莊學(xué)院學(xué)報,2010,(06):86-90.