周愛玲

摘要：楊氏設計出的雙縫干涉實驗比較巧妙，對研究物理學重要現(xiàn)象——光的干涉開辟了新的視角。他最先運用光的疊加原理對光的干涉進行解釋，并首次測定出了光的波長，在物理學中的光波動學說研究中做出了重要貢獻。在楊氏雙縫干涉實驗設計中狹白光為何也可以產(chǎn)生出雙縫干涉？波長在發(fā)生變化時對干涉條紋有什么樣的影響？在小孔的后面加上透明的介質薄膜后干涉條紋的會發(fā)生怎樣的變化？進行了思考與探討。

關鍵詞：雙縫干涉 楊氏 干涉條紋 狹縫

楊氏雙縫干涉實驗使人們認識到光不但具有粒子性，同時光也是一種波，它具有波的各種特性，比如干涉、衍射。同時該實驗還表明光不是機械波，是概率波。在這個實驗中，人們也對這個實驗的一些環(huán)節(jié)產(chǎn)生了疑問，如狹縫s是否一定要存在等。而這些關于楊氏雙縫實驗的問題及疑問卻很值得我們去思考、去探討。

一、干涉概述

當空間頻率與振動方向相同、相位差不變的兩束光波在空間相遇時，在波重疊區(qū)域，某些點振動加強，某些點振動減弱，因而在空間形成強弱相間的穩(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

楊氏在十九世紀初就用非常巧妙的方法設計出了通過相位差對光的干涉進行研究的方法。并應用用疊加的原理闡述光與波一樣也會發(fā)生干涉現(xiàn)象，為后來量子力學的發(fā)展奠定了堅實的基礎。他在《自然哲學講義》里第一次提道了了這個實驗---楊氏雙縫干涉實驗。后來這個實驗成為物理學史上最經(jīng)典的五個實驗之一，這個實驗做起來非常簡便，只需要一支蠟燭，兩張不透光的紙，一張白紙就能做這個實驗，首先把一支點燃的蠟燭放在其中開了一個小孔的不透光紙前面，在紙的后面就形成了一個點光源，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，就會出現(xiàn)干涉條紋，這就是著名的雙縫干涉實驗。楊的著作《自然哲學講義》就好比在科學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說兩大學術界又展開了針縫相對的爭論，但由于當時以牛頓為首的光的微粒說占主導地位。當時人們對光的本質屬于探索初期，主要觀點分為牛頓的微粒說和惠更斯等人的波動說?；莞沟挠^點：光是一種縱波，光是機械振動在“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，加之一些權威的作祟，無處發(fā)表，沒辦法只好自己印成小冊子。但是據(jù)說發(fā)行后“只賣出了一本”。原因很簡單，在此之前人們一直認為光是縱波，直到1819年法國年輕工程師菲涅耳，當時他才31歲，在《關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、楊氏雙縫干涉實驗的討論與思考

楊氏雙縫干涉實驗如上圖所示。在圖中我們可知，如果D、λ是一定值的時候，則e和d是成反比例的，此時d越小，則條紋分辨就會越清晰。如果λ1和λ2是成整數(shù)比的時候，則某些級次的干涉條紋就會發(fā)生重疊現(xiàn)象。如果換用白光進行本實驗， 就會在中央會出現(xiàn)白色亮紋，同時其他各級次的條紋就會形成一個彩色光譜，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、波長長短不一樣。此時，人們會問為何白光也可以發(fā)生雙縫干涉呢？我們不可否認，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，而此時就會發(fā)生干涉現(xiàn)象。S屬于白光光源的時候，那么從s所發(fā)出來的任一長度波長的任何一個光波均會照在s1與s2上面，因此，s1發(fā)出的任一個光波均可以在s2中尋找到與自身相干的波。s1與s其實就是滿足相干條件的白光光源，而每一種長度的波長的光都可以在觀察屏上面產(chǎn)生一組楊氏條紋。各個波長產(chǎn)生的楊氏條紋疊加起來就會形成干涉圖樣。因為，各個單色光均處于中央線上面，其相位差均為0，其振動均需要加強，為此各個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位置與實驗結構對干涉條紋的影響

①光源S位置變化時：比光源S是向上移，則零級明紋會往下移，其干涉條紋會整體往上平移；反之如果S是向下移，則干涉條紋又會整體往上發(fā)生平移，但無論是光源S如何移動，是不會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：如果d增大，則e減小，零級明紋的中心位置是會發(fā)生變化的，其條紋會變密。如果d逐漸減小，則e會逐漸增大，而條紋則會變成稀疏。

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

3.小孔后加透明介時，對干涉條紋的影響

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

②如果在S2后面加透明的介質薄膜的話，則干涉條紋就會發(fā)生下移。

4.波長、單色光、復色光對干涉條紋的影響

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

四、小結

楊氏雙縫干涉實驗的設計為我們研究量子物理學打下了堅實的基礎。本文通過研究，認為狹縫s的存在是有必要的；白光也能產(chǎn)生雙縫干涉；波長及裝置結構變化時干涉條紋的移動和變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律的；在小孔后加透明介質薄膜，干涉條紋變化也是有規(guī)律的。

參考文獻：

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