再議楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

周愛玲

摘要：楊氏設(shè)計(jì)出的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)比較巧妙，對(duì)研究物理學(xué)重要現(xiàn)象——光的干涉開辟了新的視角。他最先運(yùn)用光的疊加原理對(duì)光的干涉進(jìn)行解釋，并首次測(cè)定出了光的波長(zhǎng)，在物理學(xué)中的光波動(dòng)學(xué)說研究中做出了重要貢獻(xiàn)。在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中狹白光為何也可以產(chǎn)生出雙縫干涉？波長(zhǎng)在發(fā)生變化時(shí)對(duì)干涉條紋有什么樣的影響？在小孔的后面加上透明的介質(zhì)薄膜后干涉條紋的會(huì)發(fā)生怎樣的變化？進(jìn)行了思考與探討。

關(guān)鍵詞：雙縫干涉 楊氏 干涉條紋 狹縫

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)使人們認(rèn)識(shí)到光不但具有粒子性，同時(shí)光也是一種波，它具有波的各種特性，比如干涉、衍射。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)還表明光不是機(jī)械波，是概率波。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，人們也對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的一些環(huán)節(jié)產(chǎn)生了疑問，如狹縫s是否一定要存在等。而這些關(guān)于楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)的問題及疑問卻很值得我們?nèi)ニ伎肌⑷ヌ接憽?/p>

一、干涉概述

當(dāng)空間頻率與振動(dòng)方向相同、相位差不變的兩束光波在空間相遇時(shí)，在波重疊區(qū)域，某些點(diǎn)振動(dòng)加強(qiáng)，某些點(diǎn)振動(dòng)減弱，因而在空間形成強(qiáng)弱相間的穩(wěn)定明暗或彩色條紋的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為光的干涉。光的干涉是光的波動(dòng)性的最好說明。日常生活出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，比如小孩用肥皂吹出來的泡泡上，在太陽光的照射下呈現(xiàn)出的五顏六色，還有下過雨后的柏油路面上，在太陽光的照射下，我們可能觀察到油膜的彩色圖案等，都是由于光的干涉而形成的現(xiàn)象，都可以波動(dòng)性來解釋。要產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，必須具備一定的條件，首先兩束光的頻率要相同，其次兩束光的振動(dòng)方向也要相同并且兩束光的相位差必需恒定，具備這樣的兩束光我們稱為的相干光。

二、楊氏雙縫干涉

楊氏在十九世紀(jì)初就用非常巧妙的方法設(shè)計(jì)出了通過相位差對(duì)光的干涉進(jìn)行研究的方法。并應(yīng)用用疊加的原理闡述光與波一樣也會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，為后來量子力學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。他在《自然哲學(xué)講義》里第一次提道了了這個(gè)實(shí)驗(yàn)---楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。后來這個(gè)實(shí)驗(yàn)成為物理學(xué)史上最經(jīng)典的五個(gè)實(shí)驗(yàn)之一，這個(gè)實(shí)驗(yàn)做起來非常簡(jiǎn)便，只需要一支蠟燭，兩張不透光的紙，一張白紙就能做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，首先把一支點(diǎn)燃的蠟燭放在其中開了一個(gè)小孔的不透光紙前面，在紙的后面就形成了一個(gè)點(diǎn)光源，然后在這張紙后面再放一張開了兩道平行的狹縫的紙，在這張紙后面再放一張白紙當(dāng)光屏，這樣從小孔中透出的燭光穿過兩道狹縫投到白紙上，就會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，這就是著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。楊的著作《自然哲學(xué)講義》就好比在科學(xué)界平靜的水面上投入了一顆石子，一石激起千層浪，光的微粒說和光的波動(dòng)說兩大學(xué)術(shù)界又展開了針縫相對(duì)的爭(zhēng)論，但由于當(dāng)時(shí)以牛頓為首的光的微粒說占主導(dǎo)地位。當(dāng)時(shí)人們對(duì)光的本質(zhì)屬于探索初期，主要觀點(diǎn)分為牛頓的微粒說和惠更斯等人的波動(dòng)說?；莞沟挠^點(diǎn)：光是一種縱波，光是機(jī)械振動(dòng)在“以太”中的傳播。楊則提出光是一種橫波，它的著作受盡了權(quán)威們的嘲笑和諷刺，近20年間無人問津，楊為了反駁專門撰寫了論文，但由于他的知名度很低，加之一些權(quán)威的作祟，無處發(fā)表，沒辦法只好自己印成小冊(cè)子。但是據(jù)說發(fā)行后“只賣出了一本”。原因很簡(jiǎn)單，在此之前人們一直認(rèn)為光是縱波，直到1819年法國(guó)年輕工程師菲涅耳，當(dāng)時(shí)他才31歲，在《關(guān)于偏振光線的相互作用》論文里，才提出了光是橫波的概念。

三、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的討論與思考

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)如上圖所示。在圖中我們可知，如果D、λ是一定值的時(shí)候，則e和d是成反比例的，此時(shí)d越小，則條紋分辨就會(huì)越清晰。如果λ1和λ2是成整數(shù)比的時(shí)候，則某些級(jí)次的干涉條紋就會(huì)發(fā)生重疊現(xiàn)象。如果換用白光進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)， 就會(huì)在中央會(huì)出現(xiàn)白色亮紋，同時(shí)其他各級(jí)次的條紋就會(huì)形成一個(gè)彩色光譜，即從中央向外由紫到紅排列的彩色條紋。

1.為什么白光也能產(chǎn)生雙縫干涉

兩個(gè)相干的光的頻率一樣是滿足相干條件的，但是白光中的光源比較多、波長(zhǎng)長(zhǎng)短不一樣。此時(shí)，人們會(huì)問為何白光也可以發(fā)生雙縫干涉呢？我們不可否認(rèn)，白光含有頻率不一樣的可見光，而頻率不一樣的光波彼此之間是不相干的。不過，在通過兩縫射出來的白光，存在頻率一樣的單色光，而此時(shí)就會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。S屬于白光光源的時(shí)候，那么從s所發(fā)出來的任一長(zhǎng)度波長(zhǎng)的任何一個(gè)光波均會(huì)照在s1與s2上面，因此，s1發(fā)出的任一個(gè)光波均可以在s2中尋找到與自身相干的波。s1與s其實(shí)就是滿足相干條件的白光光源，而每一種長(zhǎng)度的波長(zhǎng)的光都可以在觀察屏上面產(chǎn)生一組楊氏條紋。各個(gè)波長(zhǎng)產(chǎn)生的楊氏條紋疊加起來就會(huì)形成干涉圖樣。因?yàn)?，各個(gè)單色光均處于中央線上面，其相位差均為0，其振動(dòng)均需要加強(qiáng)，為此各個(gè)單色光可在中央線上出現(xiàn)明紋，所以我們看到中央明紋屬于白色的。

2.光源S位置與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)對(duì)干涉條紋的影響

①光源S位置變化時(shí)：比光源S是向上移，則零級(jí)明紋會(huì)往下移，其干涉條紋會(huì)整體往上平移；反之如果S是向下移，則干涉條紋又會(huì)整體往上發(fā)生平移，但無論是光源S如何移動(dòng)，是不會(huì)影響條紋之間的間距的。

②雙縫之間的距離d發(fā)生變化時(shí)：如果d增大，則e減小，零級(jí)明紋的中心位置是會(huì)發(fā)生變化的，其條紋會(huì)變密。如果d逐漸減小，則e會(huì)逐漸增大，而條紋則會(huì)變成稀疏。

③雙縫和屏幕的間距D變化時(shí)：如果D減小，則e會(huì)減小，但零級(jí)明紋中心的位置不變，條紋間距變密。如果D逐漸增大，則e會(huì)增大，其條紋是會(huì)變稀疏的。

3.小孔后加透明介時(shí)，對(duì)干涉條紋的影響

①如果在S1后面加透明介質(zhì)薄膜，零級(jí)明紋就會(huì)上移到點(diǎn)P，干涉條紋均會(huì)同時(shí)整體往上發(fā)生平移。那么移過條紋的數(shù)目為：Δk=（n-1）t/λ；而條紋移動(dòng)的距離則可通過 OP=Δk·e進(jìn)行計(jì)算得到。

②如果在S2后面加透明的介質(zhì)薄膜的話，則干涉條紋就會(huì)發(fā)生下移。

4.波長(zhǎng)、單色光、復(fù)色光對(duì)干涉條紋的影響

當(dāng)使用不同波長(zhǎng)的單色光做楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，在光屏上出現(xiàn)的干涉條紋各級(jí)的強(qiáng)度大體保持不變，是等間距并明暗交替條紋，并且條紋寬度會(huì)隨著單色光的波長(zhǎng)增大而相應(yīng)的變寬。如果換用復(fù)色光白光照射，就會(huì)在光屏形成七彩條紋，條紋分面規(guī)律為中間是白紋，其余各級(jí)依次為由紫到紅的彩色條紋。彩色條紋中，相同波長(zhǎng)的光干涉加強(qiáng)的位置與使用單色光時(shí)相同。在較高干涉級(jí)中，還可以觀察到紅光越過高一級(jí)紫光位置的情況。

四、小結(jié)

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)為我們研究量子物理學(xué)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文通過研究，認(rèn)為狹縫s的存在是有必要的；白光也能產(chǎn)生雙縫干涉；波長(zhǎng)及裝置結(jié)構(gòu)變化時(shí)干涉條紋的移動(dòng)和變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律的；在小孔后加透明介質(zhì)薄膜，干涉條紋變化也是有規(guī)律的。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]謝敬輝.物理光學(xué)教程[M].北京理工大學(xué)，2011.

[3]張建秋.楊氏干涉條紋的理論分析與實(shí)驗(yàn)觀察[J].新疆職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，17（5）：79-80.