從光干涉看光的本質(zhì)

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1、從光的干涉現(xiàn)象談光的本性摘要：對于光的本性的認(rèn)識，幾個(gè)世紀(jì)以來始終存在著激烈的爭論，光的波粒二象性是兩種學(xué)說相互妥協(xié)的結(jié)果。在解釋一些現(xiàn)象如干涉和衍射時(shí)，人們就用波動說去解釋，而對另一些現(xiàn)象如光電效應(yīng)就用微粒說去說明。這種既是微粒又是波的存在在觀念上確實(shí)叫人難以接受，其原因是到現(xiàn)在還沒有一種理論能很好地把波動和微粒統(tǒng)一在一個(gè)模式下。本文正是從這兩種性質(zhì)來說的光的本性。關(guān)鍵詞：干涉波動性楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)假設(shè)有一個(gè)光源S1，在S1前放置一塊屏幕，從S1發(fā)出的光會將整個(gè)屏幕均勻的照亮。我們知道，屏幕的亮

2、度是與落在屏幕上面的光子數(shù)的多少有關(guān)的。嚴(yán)格地說，屏幕的亮度是以垂直于屏幕的光線與屏幕的交點(diǎn)為中心向四周逐漸變暗的。但這種變化決不是幾率問題。證明：把S1放在一個(gè)半徑為R1的球的中心，假設(shè)S1在單位時(shí)間里發(fā)射出N個(gè)光子，則單位球面積上所接受的光子數(shù)等于光子數(shù)N除以球的總面積4πR1^2，如果把球的半徑由R1變?yōu)镽2（R2＞R1），則在單位球面積上所接受的光子數(shù)就變?yōu)镹除以4πR2^2，由于R2大于R1，所以半徑為R1的球在單位球面積上接受的光子數(shù)大于R2球單位面積上的光子數(shù)。這就是為什么屏幕上的亮度是由明

3、到暗逐漸變化的原因。當(dāng)屏幕距光源的距離很大且屏幕的面積又很小時(shí)，就可以近似的認(rèn)為屏幕上的光子是均勻分布的?，F(xiàn)在把另一個(gè)相干光源S2放在靠近S1的地方，情況有了變化。在垂直兩個(gè)光源的平面上出現(xiàn)了明暗相間的圓環(huán)，而在平行兩個(gè)光源的平面上，則出現(xiàn)了明暗相間的條紋，這就是人們所說的光的干涉條紋，最為典型的要數(shù)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。因?yàn)楦缮娆F(xiàn)象是波動的最主要特征，所以這也就成了光具有波動性的最有力證據(jù)之一。我們知道機(jī)械波是振動在媒質(zhì)中的傳播，當(dāng)有兩列相干波源存在時(shí)，媒質(zhì)中任意一點(diǎn)的振動是兩列波各自到達(dá)這一點(diǎn)時(shí)波的疊加。

4、當(dāng)?shù)竭_(dá)這一點(diǎn)的兩列波的相位相同或相差2Kπ時(shí)，則在這一點(diǎn)上的振幅最大，如果兩列波的相位相差（2K+1）π時(shí)，則振動的振幅相互抵消，這樣就形成了有規(guī)則的干涉條紋，經(jīng)典光學(xué)正是套用機(jī)械波的方法證明光的干涉條紋的。下面簡介楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，圖如下：在普通單色光源(如鈉光燈)前面,先放置一個(gè)開有小孔s的屏,再放置一個(gè)開有兩個(gè)相距很近的小孔s1和s2的屏。只要安排適當(dāng)，就可以在較遠(yuǎn)的接收屏上觀測到一組明、暗相間的干涉條紋通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了光具有波動性。楊氏實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的，是惠更斯在1678年提出的關(guān)于波面?zhèn)鞑サ脑恚?/p>

5、稱為惠更斯原理。該原理指出波面（或波前）上每一面元都可看成是發(fā)出球面子波的波源，而這些子波面的包絡(luò)面就是下一時(shí)刻的波面(或波前)。按照惠更斯原理，楊氏實(shí)驗(yàn)中的小孔可看成是單色點(diǎn)光源，而s1和s2是從s的波面或波前上分離出來的兩個(gè)小面元所構(gòu)成的子波源，它們所發(fā)出的球面子波是滿足相干條件的,在它們交疊的區(qū)域中將出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。顯然，楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是典型的分波陣面干涉。波程差：δ=r2-r1=dsinθ=dtgθ=dx/L　sinθ=tgθ　　這是因?yàn)棣冉嵌群苄〉臅r(shí)候，可以近似認(rèn)為相等。　　干涉明條紋的位置可由

6、干涉極大條件δ=kλ得：　　x=(L/d)kλ,　　干涉暗條紋位置可由干涉極小條件δ=(k+1/2)λ得：　　x=(D/d)(k+1/2)λ　　明條紋之間、暗條紋之間距都是　　Δx=λ(D/d)　　因此干涉條紋是等距離分布的。　　而且注意上面的公式都有波長參數(shù)在里面，波長越長，相差越大?！　l紋形狀：為一組與狹縫平行、等間隔的直線（干涉條紋特點(diǎn)）菲涅爾雙棱鏡，菲涅爾雙面鏡、埃洛鏡的干涉情況都與此類似。而愛因斯坦的光電效應(yīng)則證明了光的粒子性，在這里不多加說明了。綜上所述，可見光具有波粒二象性，在某些時(shí)候顯示

7、波動性，而在某些時(shí)候顯示粒子性。我個(gè)人認(rèn)為，這種說法其實(shí)是因?yàn)楝F(xiàn)階段科學(xué)家們沒有找到一種合適的解釋方法，而波粒二象性就是兩種說法的餓妥協(xié)產(chǎn)物。但是，盡管如此，波粒二象性的說法還是有一定的可行性的，它也在一定程度上很好的解釋了光的本性。在未來，人類一定會找到更好的方式來解釋光的本性。參考文獻(xiàn)【1】廖延彪，《光學(xué)原理與應(yīng)用》，電子工業(yè)出版社【2】吳健，嚴(yán)高師《光學(xué)原理教程》，國防工業(yè)出版社【3】郭永康，《光學(xué)》，高等教育出版社【4】毛駿健，顧牡，《大學(xué)物理學(xué)》，高等教育出版社【5】《科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)》，中國宇航出

8、版社，2004.1.1