第四章光4.5光的衍射波在它傳播的方向上遇到障礙物或孔時(shí)，波能繞到障礙物陰影里去繼續(xù)傳播，這屬于波的衍射現(xiàn)象。一、光的衍射在擋板上安裝一個(gè)寬度可調(diào)的狹縫，縫后放一個(gè)光屏用單色平行光照射狹縫。當(dāng)縫比較寬時(shí)，光沿著直線通過(guò)狹縫，在屏上產(chǎn)生一條與縫寬相當(dāng)?shù)牧翖l紋。當(dāng)縫調(diào)到很窄時(shí)，盡管亮條紋的亮度有所降低，但是寬度反而增大了，而且還出現(xiàn)了明暗相間的條紋(圖4.5-1)。這表明，光沒有沿直線傳播，它繞過(guò)了縫的邊緣，傳播到了相當(dāng)寬的地方。這就是光的衍射現(xiàn)象。圖4.5-2是在一次實(shí)驗(yàn)中拍攝的屏上亮條紋的照片，上圖的狹縫較窄，衍射后在屏上產(chǎn)生的中央亮條紋較寬。如果用白光做上述實(shí)驗(yàn)，得到的條紋是彩色的(圖4.5-3)。這是因?yàn)榘坠庵邪烁鞣N顏色的光，衍射時(shí)不同色光的亮條紋的位置不同，于是各種色光就區(qū)分開了。單縫衍射條紋的特點(diǎn)①一些明暗相間的條紋，中央條紋最寬、最亮，離中央條紋越遠(yuǎn)，亮條紋的寬度越窄，亮度越小。②縫變窄，通過(guò)的光變少,而光分布的范圍更寬，所以亮條紋的亮度降低。③中央亮條紋的寬度及條紋間距跟入射光的波長(zhǎng)及單縫寬度有關(guān)。入射光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，單縫越窄，中央亮條紋的寬度及條紋間距就越大。④用白光做單縫衍射時(shí)，中央亮條紋是白色的，兩邊是彩色條紋，中央亮條紋仍然最寬最亮。干涉條紋與衍射條紋的區(qū)別雙縫干涉單縫衍射①條紋寬度單縫衍射：條紋寬度不等，中央條紋最寬。雙縫干涉：條紋寬度相等。雙縫干涉單縫衍射②條紋間距單縫衍射：各相鄰條紋間距不等；雙縫干涉：各相鄰條紋等間距。③條紋亮度單縫衍射：中央條紋最亮，越向兩側(cè)條紋越暗;雙縫干涉：各條紋亮度基本相同。在單縫衍射和圓孔衍射的照片中，都有一些亮條紋和暗條紋。這是由于來(lái)自單縫或圓孔上不同位置的光，通過(guò)縫或孔之后疊加時(shí)加強(qiáng)或者削弱的結(jié)果。各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，致使影的輪廓模糊不清，出現(xiàn)明暗相間的條紋(圖4.5-4)。光在沒有障礙物的均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的。對(duì)衍射現(xiàn)象的研究表明，在障礙物或狹縫的尺寸很大時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯，也可以近似認(rèn)為光是沿直線傳播的。但是，在障礙物或狹縫的尺寸足夠小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象十分明顯，這時(shí)就不能說(shuō)光沿直線傳播了。二、衍射光柵單縫衍射的條紋比較寬，而且距離中央亮條紋較遠(yuǎn)的條紋，亮度也很低。因此，無(wú)論從測(cè)量的精確度，還是從可分辨的程度上說(shuō)，單縫衍射都不能達(dá)到實(shí)用要求。實(shí)驗(yàn)表明，如果增加狹縫的個(gè)數(shù)，衍射條紋的寬度將變窄，亮度將增加。光學(xué)儀器中用的衍射光柵就是據(jù)此制成的。它是由許多等寬的狹縫等距離地排列起來(lái)形成的光學(xué)元件。在一塊很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕刻痕產(chǎn)生漫反射而不太透光，未刻的部分相當(dāng)于透光的狹縫，這樣就做成了透射光柵(圖4.5-5)。如果在高反射率的金屬上刻痕，就可以做成反射光柵。一、泊松亮斑趣事1818年，法國(guó)的巴黎科學(xué)院為了鼓勵(lì)對(duì)衍射問(wèn)題的研究，懸賞征集這方面的論文。一位年輕的物理學(xué)家菲涅耳在論文中按照波動(dòng)說(shuō)深入研究了光的衍射。當(dāng)時(shí)的另一位法國(guó)科學(xué)家泊松是光的波動(dòng)說(shuō)的反對(duì)者，他按照菲涅耳的理論計(jì)算了光在圓盤后的影的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)對(duì)于一定的波長(zhǎng)、在適當(dāng)?shù)木嚯x上，影的中心會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮斑!泊松認(rèn)為這是荒謬可笑的，并認(rèn)為這樣就駁倒了光的波動(dòng)說(shuō)?？茖W(xué)漫步但是，就在競(jìng)賽的關(guān)鍵時(shí)刻，評(píng)委阿拉果在實(shí)驗(yàn)中觀察到了這個(gè)亮斑(圖4.5-6)，這樣，泊松的計(jì)算反而支持了光的波動(dòng)說(shuō)。后人為了紀(jì)念這個(gè)有意義的事件，把這個(gè)亮斑稱為泊松亮斑，也稱為阿拉果亮斑。二、X射線衍射與雙螺旋晶體中原子的排列是規(guī)則的，原子間距與X射線波長(zhǎng)接近。這使得X射線照射在晶體上會(huì)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。衍射圖樣中斑點(diǎn)的強(qiáng)度和位置包含著有關(guān)晶體的大量信息。因此，人們可以利用X射線衍射探測(cè)晶體的結(jié)構(gòu)(圖4.5-7)。1912年，德國(guó)科學(xué)家勞厄觀測(cè)到了這種衍射現(xiàn)象。在當(dāng)時(shí)人們并不確信X射線是一種電磁波，也不確信晶體是由周期性排列的原子組成的。勞厄的觀測(cè)，同時(shí)證實(shí)了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部的原子點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，被愛因斯坦譽(yù)為物理學(xué)中最美的實(shí)驗(yàn)。勞厄因此獲得了1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。之后，英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子深入研究了利用X射線測(cè)量和分析晶體結(jié)構(gòu)的方法。他們的工作奠定了這一技術(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，為此，布拉格父子共同獲得了1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1.用兩支鉛筆夾成一條狹縫，將眼睛緊貼著狹縫且讓狹縫與日光燈管或其他線狀光源平行，你會(huì)觀察到怎樣的現(xiàn)象?試解釋這個(gè)現(xiàn)象。解：會(huì)觀察到明暗相間的彩色條紋，因?yàn)楫?dāng)兩支鉛筆夾成的狹縫寬度與光波波長(zhǎng)接近時(shí)，會(huì)發(fā)生光的衍射現(xiàn)象.課堂練習(xí)2.在擋板上安裝一個(gè)寬度可以調(diào)節(jié)的狹縫，縫后放一個(gè)光屏。用平行單色光照射狹縫，當(dāng)縫的寬度較小時(shí)，我們會(huì)從光屏上看到衍射條紋。此時(shí)，如果進(jìn)一步調(diào)小狹縫的寬度，所看到的衍射條紋有什么變化?做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，看你的判斷是否正確。也可以用游標(biāo)卡尺兩個(gè)卡腳之間的縫隙做單縫，用眼睛通過(guò)這個(gè)單縫觀察線狀光源。解：衍射條紋中亮條紋的亮度有所降低，但條紋寬度增大.3.太陽(yáng)光照射一塊遮光板，遮光板上有一個(gè)大的三角形孔，太陽(yáng)光透過(guò)這個(gè)孔，在光屏上形成一個(gè)三角形光斑。請(qǐng)說(shuō)明：遮光板上三角形孔的尺寸不斷減小時(shí)，光屏上的圖形將怎樣變化?請(qǐng)你說(shuō)明其中的道理。解：開始時(shí)，大的三角形孔在光屏上得到的是三角形光斑，這是因?yàn)楣庋刂本€傳播，減小三角形孔尺寸，會(huì)看到一個(gè)圓形亮斑這是太陽(yáng)的像，是小孔成像現(xiàn)象，再減小三角形孔尺寸，當(dāng)孔尺寸足夠小時(shí)，將會(huì)看到孔形狀的衍射條紋，而且三角形孔越小，衍射效果越明顯.4.可見光的波長(zhǎng)是微米數(shù)量級(jí)的，人眼的瞳孔直徑是毫米數(shù)量級(jí)的。假想有一種眼睛的瞳孔