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光的干涉的研究历史及发展

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为了解释这些现象,和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯(Christiaan Huyg(h)ens,1629-1695),提出了与微粒说相对立的波动说。惠更斯的观点是光一种波而非粒子流,光像声音一样由于物体的振动产生的,但不一样是光是发光物体的振动所引起的,凭借着一类异常的东西叫做“以太”的带有弹性物体而传播的。[2]惠更斯的波动说首先清楚地阐释了光的反射和折射现象,但是不同的是惠更斯对水和空气的折射率的想法是V水﹤空气,不过这样的说法,在当时并不知道是惠更斯的正确或者是牛顿的正确,人们无法有根据,并且波动说阐明了光在不同的介质发生的两种现象:折射和反射,还有不同的光在相遇后互不影响又继续向前传播的现象。这两种到底哪种更为可行更对物理学界有益在当时的世纪产生了非常轰动的激烈讨论,但是一直没有什么实验或者其他说法能证明这两个观点到底是哪个有问题,不过,对于这微粒说和波动说这两种观点,相对来说,人们还是比较愿意相信牛顿的微粒说,因为“站在大树底下好乘凉”,所以有了支持微粒说的派别。

到了18世纪,这个微粒派有没有改变呢?其实在这将近一百年的时间里,有关光的性质没有什么突破性的实验和说法。相对落后的实验仪器和条件的限制,在人们还不知道第一光在水中的折射率和光在空气的折射率哪个更大,还有光在空气中的传播速度是多少,这些问题的没有解决限制了很多实验的进行。虽然惠更斯的波动说能够解释光的折射和反射现象以及几束光波相遇时不干扰并且向前传播的这些现象。但是这种说法还是有很多不足的,它还没有找到解决光的直进以及薄膜在太阳底下颜色改变的原因以及光在水中的传播速度是多少等等一系列的问题,惠更斯的波动说并没有解决出来。各种各样的原因,在18世纪的时候,波动说慢慢地就没有人提及了,人们更多的是相信牛顿的微粒说,于是在18世纪,牛顿的微粒说盖过了惠更斯的波动说,成为了引领物理学史上的科学大树。

在18世纪,被打压的波动说失去了活力,但是属于它的19世纪来临了,在19世纪,光的波动说掀开了它崭新的一页,它已经比微粒说更胜一筹,人们开始接受并且认同光的波动说的存在。

3 光的干涉的首次发现历史——杨氏双缝实验

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3.1光的干涉的建立起源

最首先质疑牛顿的微粒说的是是牛顿的同行英国物理学家托马斯·杨. (Thomas Young,1773-1829)。在1801年,年轻的托马斯·杨面对牛顿如日中天的气势,一针见血地说:“无论牛顿在学界上是多么赫赫有名,然而我不认为他的说法观点一定都是正确的,对于他的微粒说的错误,我很庆幸自己能发现而且能指出来,在这点的认识上,我觉得有时候一个人的权威有时候会牵涉到科学的进步。”

牛顿的“微粒说”并没有解决几束光波相遇后并没有相互影响而后又继续向前传播的这一问题,所以“微粒说”是有质疑的地方的,在托马斯·杨看来,要使这个说法破灭的话,首先要有实验能证明几束不同的光在相遇后互不影响又继续向前传播。有种说法大概是这样说的:兴趣会使一个人对另一件事产生有益的一面。托马斯·杨热衷于乐器,并且差不多可以使用当时有的乐器来演奏,他的这个爱好对于他能够验证光的干涉实验产生了相得益彰的结果。因为声音和光波是有一定的联系的,它们在有些地方有相似性。托马斯·杨思考着光可不可能也和声音属于同一种波的性质,也许是波?他朝着这个想法出发,用杨氏双缝实验验证了光的一种波的想法。 3.2从定义出发探讨光的干涉

先让我们来理解什么叫做相干光,相干光概念是频率一样,且振动方向一样一列或几列光。那什么叫做波的干涉,波的干涉是这样定义的:频率一样的两列波的彼此叠加产生了振动方向始终增强,但是另一些地方是保持着变小变弱的状态,叠加后增强的范围和叠加后削弱范围的地方彼此分离。像这样条纹的出现,叫做波的干涉,加强区域是波峰和波峰相叠加,减弱区域是波谷和波谷相叠加。干涉现象是所有的波都能产生的,比如我们熟知的水波、电磁波等。从定义我们可以知道,如果光是一种波的话,它应该能发生光的干涉,如果不是,那它就不能出现干涉的情况。

托马斯·杨的实验的演示操作非常容易:首先将一支蜡烛放在一张被开了一个小孔的白纸前面,蜡烛作为光源,然后在第一张白纸的后面放多一张白纸,现在放上的这张白纸开了两个平行的距最原先的那个孔的距离相等的狭缝,最后放一个光屏。点亮蜡烛,光从第一个缝中然后穿过两道狭缝最终投射到光屏上,由

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此可知,经狭缝的这两列光是满足频率相同、振动方向相同的这两列光是相干光,最终屏幕上有明显等距的明暗相间的条纹,满足了波的干涉定义要求。像这样子由两束相干光波叠加一起产生的波峰与波峰相叠加的增强地方,波谷和波谷叠加在一起相叠加产生的相互减弱的地方,我们就把这种现象叫做光的干涉。他用这实验来阐明了光的性质是波而非粒子,光是波就能发生波的干涉产生干涉图样,托马斯·.杨利用干涉原理获取了干涉条纹,而且说明了我们最常见的一个现象——薄膜变成彩色。他在工作室首先顺利地观察到两束光在一个地方遇上时彼此叠加,也就是波峰和波峰叠加,波谷和波谷叠加,得到的不变的明暗相间条纹的图形,这个由托马斯·杨发现的实验之后以他的名字命名为杨氏双缝实验。

托马斯.杨因为这个光的干涉的提出受到了物理学界的很多有名人士的排斥,在这些人士中间有牛顿的忠实支持者布劳安的排挤是最突出最不让人好过的,说他的思想和说法根本没有意义,并不算是实验,而且对他的光的干涉更是贬低和不认同,在提出了光的干涉以后的一大段时间里,并没有人能够看重他的这个实验和无人问津的他的想法,但是仅仅是要证明自己的观点的正确性的托马斯·杨没有地方声明编辑好自己的观点的论文,他后来为了让自己没有白费苦心他把这些论点写成小书四处发放,但是结局却是黑白的,只卖了一本。但是,成功是留给有准备的人的,在微粒说不能解释一些光学问题时,杨氏双缝干涉实验解决了这其中存在的问题,之后不久,波动说被慢慢地物理学上所采纳。 3.3从原理出发探讨光的干涉

光的干涉的原理大抵和杨氏干涉原理相同,我们可以从杨氏双缝实验的原理图来探讨出光的干涉的原理。首先,用单色光照射缝S(也可以使用激光),S1、S2的发光光源是S,我们根据光的相干需要满足的条件:两个单色光源发出的两列波是方向一致、入射光频率一样、初相位差保持不变。所以最后的屏幕上会显示出间距相等的明暗相间的条纹。按照波动理论,如果两列光波的光程差符合:

,上是显示亮纹。因此屏上的亮条纹的最中间的地方是:(干

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涉条纹的级数,单色光波长)。类似,在,P显示是

暗条纹时,于是屏上的暗条纹的最中间的地方是:

我们把上面明暗天纹的最中心位置的公式联立起来就能得到相邻明条纹或暗

条纹的间距是:

在我们读中学的时候,我们学习过杨氏双缝实验,在大学时我们在高等教育出版社出版的第四版《光学》教程也学习了光的干涉。在高中时,我们所学的杨氏双缝实验是这样子的,首先选定光源,一束钠光光源,让光源通过极小的缝S,接着经过距S两相等的狭缝S1和S2,得到两束相干光,最后在屏上出现了明显的明暗相间的亮纹和暗纹间隔着。对杨氏双缝实验的改进在于光源的改进,现在做这个实验很多是采用激光作为光源。 3.4光的干涉当时解决的困难

在当时,光的干涉具有非常实际的现实价值,解决了一些实际性的问题和困难,比如,首次测出了光波的波长、测出薄片的厚度和折射率、长度测量微小改变量、用来解决检查了元件表面的质量等,下面简单举例子说明用光的干涉测量出光波的波长、测薄片的厚度和折射率和测量长度微小改变量这三个问题。 3.4.1首次测出光波的波长

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