光学基础知识

衍射証明了光的波動理論的正確性
3. 光的干涉
雙縫干涉 光的干涉是光具有波動性的又一個証據。1801年﹐英國物 理學家托馬斯.楊﹐在實驗室里成功地觀察到了光的干涉現象 。
讓一束單色光（例如紅光）投射到一個有狹縫的屏上﹐這個狹縫就成 了一個“光源”。光從狹縫出來后﹐射到第二個屏的兩個狹縫上﹐這 兩個狹縫離得很近（例如0.1毫米）﹐而且與前一個狹縫的距離相 等﹐如果光是傳播某種振動的波﹐那末﹐任何時刻從前一個狹縫發出 的光波都會同時傳到這兩個狹縫﹐這兩個狹縫就成了兩個振動情況總 是相同的波源﹐它們發出的波在屏上疊加﹐就會出現干涉現象﹔在波 峰跟波峰疊加﹑波谷跟波谷疊加的地方﹐光就互相加強﹐在波峰跟波 谷疊加的地方﹐光就互相抵消或削弱﹐實驗果然得到了預期的效果﹐ 在光屏上產生了明暗相間的干涉條紋﹐這就証明了光的確是一種波。
2020/5/21
3
一﹑光的本性
2. 光的衍射
我們不能象觀察水波那樣直接看到光波﹐只能通過間接的証據來確認 光的波動性質。最好的証據就是光的衍射和干涉現象﹐這是一切波都 具有的特征。我們先來看一看光的衍射。
取一個不透光的屏﹐在它的中間裝上一個寬度可以調節的狹縫﹐用 平行的單色光照射﹐在縫后適當距離處放一個光屏﹐我們看到﹐當縫 比較寬時﹐光沿著直線方向通過縫﹐在光屏上產生一個跟縫的寬度相 當的亮線﹐但是﹐當縫調到很窄時﹐光通過縫后就明顯偏離了直線傳 播方向﹐照到了屏上相當寬的地方﹐并且出現了明暗相間的條紋﹐一 束單色光從光源S照射到有較大圓孔A的屏﹐在后面的屏上就得到一 個光亮的圓 B﹐圓的大小跟按光沿直線傳播計算出來的結果是一致 的﹐縮小圓孔﹐亮圓也跟著縮小﹐但是縮小到一定程度﹐在后一個屏 上就出現一些明暗相間的圓環﹐這些圓環達到的范圍遠遠超過了根據 光的直線傳播所應照明的面積。
2020/5/21
5
一﹑光的本性
波長和頻率 在雙縫干涉現象里﹐明條紋和暗條紋之間的距離﹐總是 相等的。在狹縫間的距離和狹縫與屏的距離都不變的條件下﹐用不同 顏色的光做實驗﹐條紋間的間隔是不同的。紅光的條紋間隔最大﹐紫 光的條紋間隔最小。定量的研究告訴我們﹐光波的波長越長﹐干涉條 紋之間的距離越大﹐條紋的間距跟光波的波長成正比。所以不同色光 的波長也不同﹔紅光的波長最長﹐紫光的波長最短。
在上面講的實驗里﹐我們看到了光離開直線路徑繞到障礙物陰影里去 的現象﹐這種現象叫光的衍射﹐衍射時產生的明暗條紋或光環﹐叫衍 射圖樣。
2020/5/21
ຫໍສະໝຸດ Baidu
4
一﹑光的本性
不只是狹縫和圓孔﹐各種不同形狀的障礙物都能使光發生衍射﹐以 致影的輪廓模糊不清﹐出現明暗相間的條紋。
衍射現象的研究表明﹐光沿直線傳播只是一種近似的規律﹐只有在光 的波長比障礙物小得多的情況下﹐光才可以看作是直進的﹐在障礙物 的尺寸可能跟光的波長相比甚至比光的波長還要小的時候﹐衍射現象 就十分明顯了。
微粒說很容易解釋光的直進現象﹐可以認為光的直進不過是慣性現象 的簡單結果﹔而波動說卻很難解釋這種現象﹐因為常見的水波﹑聲波 都要發生衍射﹐不會象光那樣在物體后面留下清晰的影子。但是﹐微 粒說在解釋几束光交叉相遇后會彼此毫無妨礙地繼續向前傳播時﹐遇 到了很大困難﹐因為光如果是由粒子組成的﹐相碰時就會象球體相撞 那樣改變傳播的方向﹔而波動說解釋這種現象卻比較容易。水面上几 列水波能夠自由地互相穿過﹐這是人們熟知的波的現象。
2020/5/21
2
一﹑光的本性
光的微粒說和波動說各有其成功的一面但都不能完滿地解釋當時已知 的所有光現象﹐所以到十八世紀末﹐兩種學說一直是平行存在的﹐只 是由于牛頓在學朮界有很高的聲望﹐才使大多數學者傾向于微粒說。 但是﹐到了十九世紀﹐發現了光的衍射和干涉現象﹐這些現象都是波 動所特有的﹐無法用微粒說解釋。十九世紀七十至八十年代﹐麥克斯 韋創立了光的電磁理論﹐認為光在本質上是一種電磁波﹔赫茲又用實 驗証明了電磁波的存在﹐光的電磁理論得到了科學界的公認。于是光 的波動說取得了 “壓倒的勝利”﹐微粒說受到了人們的冷落﹐然而 其后不久﹐就發現了用波動說不能解釋的新的現象﹐--------光電效 應﹐証實了光的確具有粒子性。經歷了一段漫長而又曲折的過程之 后﹐在本世紀初﹐人們終于認識到光既具有波動姓﹐又具有粒子性。 這兩種表面上看來截然不同的性質﹐不過是光的本性的兩個不同的方 面罷了。 從光的干涉﹑衍射現象和光的電磁說証明光具有波動性﹔從光電效應 和光子說証實光具有粒子性。光具有波粒二象性
光學基礎知識
2020/5/21
1
一﹑光的本性
1. 光的學說的歷史發展
光的本質是什么﹖這是一個非常古老的問題﹐遠在兩千多年以前﹐古 希臘的學者們在探討視覺問題時就有人認為﹐人的視覺是由所見物體 射出的粒子進入眼睛引起的﹐這種看法可以說已經接觸到了光的本性 問題﹐只不過停留在簡單的猜想上﹐還沒有理論上和實驗上的依據﹐ 對光的本性的科學的研究﹐始于十七世紀下半葉﹐當時形成了兩種截 然不同的關于光的本性的學說﹐一種是以牛頓為代表的微粒說﹐認為 光是由高速運動的細小粒子組成的。另一種是以荷蘭學者惠更斯為代 表的波動說﹐認為光是由細小的波組成的。
如果我們換用白光來做雙縫干涉實驗﹐在屏上就會出現不同顏色的 彩色條紋﹐這是因為白光是由不同顏色的單色光復合而成的﹐而不同 色光的波長不同﹐產生的明暗條紋間距也不同﹐所以在屏上出現了彩 色條紋。
我們知道﹐波長與頻率的乘積等于波速﹐這個關系對于一切波都是適 用的﹐不同色光在真空中的傳播速度相同﹐而波長不同﹐因而它們的 頻率也不同﹐波長越長頻率越小﹐波長越短頻率越大。
4. 光譜和光諳分析
我們知道﹐白光的色散可以形成不同顏色的單色光組成的光譜。其 實﹐各種光源發出的光都不是單色光﹐因此都能產生自己的光譜。光 譜可以用分光鏡進行觀察。
2020/5/21
6
一﹑光的本性
發射光譜和吸收光譜 由發光物體直接產生的光譜叫做發射光譜。如 果發光的是熾熱的固體或液體﹐產生的光譜是由連續分布的一切波長 的光組成的﹐這種光譜叫做連續光譜。但是﹐如果發光的是稀薄氣體 或者是加有揮發性鹽的火焰﹐光譜就有完全不同的特征﹐它們是由一 些不同顏色的不連續的亮線組成的。這種光譜叫做明線光譜 觀察氣體的光譜﹐可以使用光譜管。 各種元素都有一定的明線光譜﹐元素不同﹐明線光譜也不同﹐所以﹐ 明線光譜又叫原子光譜。每種元素的原子只能發出某些具有特定波長 的光譜線﹐這些譜線叫做那種元素的特征譜線。