我这样说你们肯定不信牛顿的权威阻碍了光的波动说发展.docx
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1、导读:下面一章内容,是关于光的衍射的文章。光的衍射现象几百年前就发现了,但至今也有研究和学习的价值。对于光,对于量子力学来说,这是不可避免的研究课题。牛顿在这方面有贡献,也有阻碍。6、光的衍射上一章我们讲了光的干涉,这一章我们来认识光的衍射。光在传播过程中,遇到障碍物或小孔时,光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象,叫光的衍射。光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。在适当情况下,任何波都具有衍射的性质。然而,不同情况中波发生衍射的程度有所不同。如果障碍物具有多个密集分布的孔隙,就会造成较为复杂的衍射强度分布图样。这是因为波的不同部分以不同的路径传播到观察者的位置,发生波叠加而形成
2、的现象。衍射的形式论还可以用来描述有限波(量度为有限尺寸的波)在自由空间的传播情况。例如,激光束的发散性质、雷达天线的波束形状以及超声波传感器的视野范围都可以利用衍射方程来加以分析。光波遇到障碍物以后会或多或少地偏离几何光学中直线传播定律的现象。几何光学表明,光在均匀媒质中按直线定律传播,光在两种媒质的分界面按反射定律和折射定律传播。但是,光是一种电磁波,当一束光通过有孔的屏障以后,其强度可以波及到按直线传播定律所划定的几何阴影区内,也使得几何照明区内出现某些暗斑或暗纹。总之,衍射效应使得障碍物后空间的光强分布既区别于几何光学给出的光强分布,又区别于光波自由传播时的光强分布,衍射光强有了一种重
3、新分布。衍射使得一切几何影界失去了明锐的边缘。意大利物理学家和天文学家F.M.格里马尔迪在17世纪首先精确地描述了光的衍射现象,150年以后,法国物理学家A.-J.菲涅耳于19世纪最早阐明了这一现象。衍射形式包括:单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑衍射。衍射时产生的明暗条纹或光环,叫衍射图样。很多可能会问:“光的干涉和衍射有什么区别?”美国物理学家、诺贝尔物理学奖得主理查德费曼指出:“没有人能够令人满意地定义干涉和衍射的区别。这只是术语用途的问题,其实二者在物理上并没有什么特别的、重要的区别。”他还提到,如果只有少数的波源(例如两个的时候),我们称这现象为“干涉”,例如我们称杨氏双缝实验实
4、验中双缝所产生的两束光源产生了干涉现象。而当大量波源存在时,对应的过程被称作是“衍射”。在实际情况中,衍射和干涉往往是同时出现的。有文献这样总结:干涉是有限多个波束“相加”的结果,而衍射则是无限多个波束“积分”的结果。光的衍射效应最早是由弗朗西斯科格里马第,发现并加以描述,他也是“衍射”一词的创始人。格里马第观察到的现象直到1665年才被发表,这时他已经去世。他提出“光不仅会沿直线传播、折射和反射,还能够以第四种方式传播,即通过衍射的形式传播。”艾萨克牛顿对这些现象进行了研究,他认为光线发生了弯曲,并认为光是由粒子构成。在19世纪以前,由于牛顿在学界的权威,光微粒说在很长一段时间占有主流位置。
5、这样的情况直到19世纪几项理论和实验结果的发表,才得以改变。1803年,托马斯杨进行了一项非常著名的实验,这项实验展示了两条紧密相邻的狭缝造成的干涉现象,后人称之为“双缝实验”。上一章中我们有过详细的论述。在这个实验中,一束光照射到具有紧挨的两条狭缝的遮光挡板上,当光穿过狭缝并照射到挡板后面的观察屏上,可以产生明暗相间的条纹。他把这归因于光束通过两条狭缝后衍射产生的干涉现象,并进一步推测光一定具有波动的性质。奥古斯丁菲涅耳则对衍射做了更多权威的计算研究,他的结果分别于1815年和1818年被发表,他提到“这样,我就展示了人们能够通过何种方式来构想光以球面波连续不断地传播出去”法国科学院曾经举办
6、了一个关于衍射问题的有奖辩论会,菲涅耳赢得了这次辩论。作为反对光波动说的西莫恩德尼泊松提出,如果菲涅耳声称的结论是正确的,那么当光射向一个球的时候,将会在球后面阴影区域的中心找到亮斑。结果,评审委员会安排了上述实验,并发现了位于阴影区域中心的亮斑(它后来被称作泊松光斑)。这个发现极大地支持了菲涅耳的理论。他的研究为克里斯蒂安惠更斯发展的光的波动理论提供了很大的支持。他与杨的理论共同反驳了牛顿关于光是粒子的理论。在对衍射现象的探索过程中,人们也不断积累了对于衍射光栅的认识。17世纪,苏格兰数学家、天文学家詹姆斯格雷戈里(James Gregory)在鸟的羽毛缝间观察到了阳光的衍射现象。他是第一个
7、发衍射光栅原理的科学家。在1673年5月13日他写给约翰科林斯(John Colins)的一封信中提到了此发现。1786年,美国天文学家戴维里滕豪斯用螺丝和细线第一次人工制成了衍射光栅,细线的密度达到每英寸100线,他用这个装置成功地看到了阳光的衍射。1821年,约瑟夫夫琅禾费利用相似的装置(每厘米127线)证明了托马斯杨关于衍射的公式,并对衍射进行了许多重要研究。近代的阿尔伯特迈克耳孙提出利用干涉伺服系统控制光栅的刻划过程,于1948年实现了这一想法。20世纪下半叶,由于激光、光刻胶等新技术的出现,光栅制造技术取得很大的进步,制造成本显著降低,制造周期也得以缩短。衍射效应在日常生活中并不罕见
8、。许多有关光的衍射实例都可以用肉眼观察到。例如在CD或DVD光盘的表面,均匀地紧密排列着一系列的光轨,这些光轨相当于衍射光栅的作用。如果以一定的角度观察它们,会看到光在盘面表现出类似彩虹的彩色图样。还有地球的大气层是由微小粒子组成的,因此它也能够使空间光源(例如太阳或者月亮)的光在大气层发生衍射,从而形成光环。此外,当激光照射到粗糙的光学界面上时,也能够发生衍射现象,产生散斑。上述所有例子都是光具有波动性的结果。衍射是一切波的固有属性。即使是宏观的海浪,在防波堤或其他障碍物附近也能够发生衍射。此外,声波在障碍物边缘发生衍射,也是人站在障碍物(例如墙壁、树木)后面仍然能够听到声音的原因之一。光波
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