第二十一章《光的波动性-光的衍射》

光的衍射

十七世纪以后人们相继发现自然界中存在着与光的直线传播现象不完全符合的事实，这就是光的波动性的表现．其中最先发现的就是光的衍射现象，并进行了一些实验研究与理论探讨．

一、光的衍射现象的发现

意大利物理学家格里马第（1618—1663）首先观察到光的衍射现象，在他死后三年出版的书中描写了这个实验．他使光通过一个小孔引入暗室（点光源），在光路中放一直杆，发现在白色屏幕上的影子的宽度比假定光以直线传播所应有的宽度为大．他还发现在影子的边缘呈现2至3个彩色的条带，当光很强时，色带甚至会进入影子里面．格里马第又在一个不透明的板上挖一圆孔代替直杆，在屏幕上就呈现一亮斑，此亮斑的大小要比光线沿直线传播时稍大一些．当时格里马第把这种光线会绕过障碍物边缘的现象称为“衍射”，从此“衍射”一词正式进入了光学中．但当时格里马第未能正确解释这一现象，他知道他所观察到的这一衍射现象是与光的直线传播相矛盾的，也是与当时处在统治地位的光的微粒说相矛盾的．他认为，光是一种稀薄的、感觉不到的光流体．当光遇到障碍物时，就引起这一流体的波动．

格里马第把光与水面波进行类比，他认为光的这种衍射现象正类似于将石子抛入水中时，在石子周围会引起水波一样，因为放在光的传播路程上的障碍物在光流体中引起了波动，这些波传播时将超出几何阴影的边界．

光的衍射现象的另一个发现者是胡克，在他所著并被看作物理光学开始形成的标志之一的《显微术》一书中，记载了他观察到光向几何影中衍射的现象．牛顿也曾重复过类似的实验，他观察了毛发的影、屏幕的边缘和楔的衍射等，从中得出结论：光粒子能够同物体的粒相互作用，且在它们通过这些物体边缘时发生倾斜．但是这一切没有对光学发展起到应有的影响．

二、光的衍射理论的建立

1．定性解释光的衍射现象的理论——惠更斯原理．

惠更斯在前人工作的基础上，对光的衍射理论作了进一步的发展．在讨论光的传播时，他类比了声音在空气中的传播．以光速的有限性论证了光是媒质的一部分依次地向其他部分传播的一种运动，且和声波、水波一样是球面波．他提出了以他的名字命名的描述光波在空间各点传播的原理——惠更斯原理．该原理可概述如下：光源发出的波面上每一点都可看作一个新的点光源，它们各自向前发出球面次波（或称子波），新的波面是与这些次波波面相切的包络面．如图所示：S为点光源，∑为t时刻自点光源S发出的波面，∑′为t＋τ时刻的波面，虚线所画的半球面为次波波面，半经为Vτ（V为光波在各向同性的均匀介质中的传播速度）．诸次波的包络面即为新波面∑′．

光的波动性质

光是一种电磁波，具有波动性质。本文将对光的波动性质进行探讨，包括光的波长、频率、传播速度以及光的干涉和衍射等相关特性。

一、光的波长和频率

光是一种电磁波，它可以通过波长和频率来描述。波长是指光波的一个周期所对应的长度，通常用λ表示，单位是米（m）。频率是指光波在单位时间内通过某一点的次数，通常用ν表示，单位是赫兹（Hz）。

光的波长和频率之间存在着特定的关系，即光的速度等于波长乘以频率。光在真空中的速度约等于3×10^8米/秒，因此可以得到光的速度等于波长乘以频率的公式：c = νλ。

二、光的传播速度

光在真空中的传播速度是一个常数，约等于3×10^8米/秒，通常用小写字母c表示。这意味着光的传播速度与波长和频率无关，即无论光的波长多长，频率多高，光在真空中的传播速度都保持不变。

然而，当光波传播到介质中时，其传播速度会发生改变，这是因为介质的折射率不同于真空的折射率。由于介质对光的传播产生了阻碍或减缓作用，使得光在介质中的传播速度较在真空中的传播速度要小。

三、光的干涉和衍射

1. 光的干涉 干涉是指两个或多个光波相遇并叠加形成干涉图案的现象。光的干涉可以分为两种类型：构造性干涉和破坏性干涉。

构造性干涉是指光波相遇时，波峰与波峰相重叠，波谷与波谷相重叠，从而达到增强波幅的效果。

破坏性干涉是指光波相遇时，波峰与波谷相重叠，波峰与波谷相消，从而使得波幅减弱或彼此抵消。

2. 光的衍射

衍射是指光通过一个边缘或障碍物后发生偏折和扩散的现象。光的衍射是由于光的波动性质所导致的。

根据衍射的特点，光的波动性可解释为光的传播是朝着范渡尔交线前进，并且朝着物体的阴影区域扩散。

衍射现象将局限于干涉程度较弱的情况下，当光通过一个非常狭缝时，衍射现象将变得比较明显。

结语

光的波动性质是光学研究中的重要内容。本文介绍了光的波长和频率的概念，以及光在真空和介质中的传播速度的特点。另外，我们还探讨了光的干涉和衍射现象，进一步揭示了光的波动性质。深入了解光的波动性质对于理解光的行为和应用具有重要意义。

光学中的光的波动性

在我们生活的这个奇妙世界里，光扮演着至关重要的角色。从照亮我们前行的道路，到让我们欣赏到五彩斑斓的景色，光无处不在。而在光学的领域中，光的波动性是一个极其重要的概念，它为我们揭示了光的许多神秘特性。

要理解光的波动性，首先得从波的基本特征说起。波，就像是水面上荡漾开的涟漪，或者是声波在空气中的传播。它们都具有一些共同的特点，比如周期性、波长、频率和振幅。

光的波动性最直观的表现之一就是光的干涉现象。当两束或多束光相遇时，如果它们的波峰和波谷相互重合，就会出现加强的亮条纹；而如果波峰与波谷相互抵消，就会出现暗条纹。这就好像两支队伍在操场上齐步走，如果步伐一致，声音就会更响亮；如果步伐相反，声音就会相互削弱。著名的杨氏双缝干涉实验就清晰地展示了这一现象。在这个实验中，一束光通过两个狭窄的缝隙，在屏幕上形成了明暗相间的条纹，有力地证明了光的波动性。

光的衍射也是其波动性的重要体现。当光遇到障碍物或者通过狭窄的缝隙时，它不会像粒子那样直线传播，而是会发生弯曲，并且在障碍物的后方形成明暗相间的图案。比如，我们在日常生活中，透过门缝看灯光，会发现灯光的边缘变得模糊，这就是光的衍射现象。 光的波动性还能解释光的偏振现象。光是一种横波，这意味着它的振动方向与传播方向垂直。通过特殊的偏振片，可以筛选出特定振动方向的光。偏振光在很多领域都有重要应用，比如 3D 电影的眼镜就是利用了偏振光的原理，让我们的两只眼睛看到不同的画面，从而产生立体感。

那么，光的波动性是如何被发现和研究的呢？在历史上，科学家们经过了漫长的探索。牛顿曾经主张光的粒子说，认为光是由微小的粒子组成的。但随着实验技术的不断发展，越来越多的现象无法用粒子说解释，光的波动性逐渐被人们所接受。

到了现代，光的波动性在通信领域发挥了巨大的作用。光纤通信就是基于光的全反射原理，利用光的波动性来传输大量的信息。在医学上，激光手术也是利用了光的波动性和能量集中的特点，能够精确地切割和治疗病变组织。

光的衍射

一、填空题

1. 衍射可分为 和 两大类。

2. 光的衍射条件是_障碍物的限度和波长可比拟____。

3. 光波的波长为λ的单色光，通过线度为L的障碍物时，只有当___λ>>L_________才能观察到明显的衍射现象。

4. 单色平面波照射到一小圆孔上,将其波面分成半波带.若几点到观察点的距离为1m，单色光的波长为4900Å,则此时第一半波带的半径为_________。

5. 惠更斯－菲涅尔原理是在惠更斯原理基础上，进一步考虑了__次波相干叠加______________，补充和发展了惠更斯原理而建立起来的。

6. 在菲涅尔圆孔衍射中，单色点光源距圆孔为R，光波波长为λ，半径为ρ的圆孔露出的波面对在轴线上的距圆孔无限远处可作的半波带数为__R/2_______________。

7. 在菲涅尔圆孔衍射中，圆孔半径为6 mm，波长为6000οA的平行单色光垂直通过圆孔，在圆孔的轴线上距圆孔6 m处可作_____10___个半波带。

8. 在菲涅尔圆孔衍射中，入射光的强度为I0，当轴线上P点的光程差为2时，P点的光强与入射光强的比为_____4__________。

9. 在菲涅尔圆孔衍射中，入射光的振幅为A0，当轴线上P点恰好作出一个半波带，该点的光强为__________20A______。

10. 在夫琅禾费单缝衍射中，缝宽为b，在衍射角为方向θ，狭缝边缘与中心光线的光程差为____________。

11. 在夫琅禾费单缝衍射中，缝宽为b，波长为λ，在衍射角为方向θ，狭缝两边缘光波的位相差为____________。

12. 在夫琅禾费单缝衍射中，缝宽为b，波长为λ，观察屏上出现暗纹的条件，衍射角θ可表示为_____________。

13. 夫琅禾费双缝衍射是___________与___________的总效果，其光强表达式中______________是单缝衍射因子，______________是双缝干涉因子。