淺談光的干涉和衍射的區(qū)別和聯(lián)系

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.