从光干涉看光的本质.doc

从光的干涉现象谈光的本性摘要：对于光的本性的认识，几个世纪以来始终存在着激烈的争论，光的波粒二象性是两种学说相互妥协的结果。在解释一些现象如干涉和衍射时，人们就用波动说去解释，而对另一些现象如光电效应就用微粒说去说明。这种既是微粒又是波的存在在观念上确实叫人难以接受，其原因是到现在还没有一种理论能很好地把波动和微粒统一在一个模式下。本文正是从这两种性质来说的光的本性。关键词：干涉 波动性 杨氏双缝干涉实验 光电效应 假设有一个光源S1，在S1前放置一块屏幕，从S1发出的光会将整个屏幕均匀的照亮。我们知道，屏幕的亮度是与落在屏幕上面的光子数的多少有关的。严格地说，屏幕的亮度是以垂直于屏幕的光线与屏幕的交点为中心向四周逐渐变暗的。但这种变化决不是几率问题。证明：把S1放在一个半径为R1的球的中心，假设S1在单位时间里发射出N个光子，则单位球面积上所接受的光子数等于光子数N除以球的总面积4R12，如果把球的半径由R1变为R2（R2R1），则在单位球面积上所接受的光子数就变为N除以4R22，由于R2大于R1，所以半径为R1的球在单位球面积上接受的光子数大于R2球单位面积上的光子数。这就是为什么屏幕上的亮度是由明到暗逐渐变化的原因。当屏幕距光源的距离很大且屏幕的面积又很小时，就可以近似的认为屏幕上的光子是均匀分布的。现在把另一个相干光源S2放在靠近S1的地方，情况有了变化。在垂直两个光源的平面上出现了明暗相间的圆环，而在平行两个光源的平面上，则出现了明暗相间的条纹，这就是人们所说的光的干涉条纹，最为典型的要数杨氏双缝干涉实验。因为干涉现象是波动的最主要特征，所以这也就成了光具有波动性的最有力证据之一。我们知道机械波是振动在媒质中的传播，当有两列相干波源存在时，媒质中任意一点的振动是两列波各自到达这一点时波的叠加。当到达这一点的两列波的相位相同或相差2K时，则在这一点上的振幅最大，如果两列波的相位相差（2K+1）时，则振动的振幅相互抵消，这样就形成了有规则的干涉条纹，经典光学正是套用机械波的方法证明光的干涉条纹的。下面简介杨氏双缝干涉实验，图如下：在普通单色光源(如钠光灯) 前面, 先放置一个开有小孔s的屏, 再放置一个开有两个相距很近的小孔s1和s2的屏。只要安排适当，就可以在较远的接收屏上观测到一组明、暗相间的干涉条纹通过这个实验证明了光具有波动性。杨氏实验所依据的，是惠更斯在1678年提出的关于波面传播的原理，称为惠更斯原理 。该原理指出波面（或波前）上每一面元都可看成是发出球面子波的波源，而这些子波面的包络面就是下一时刻的波面(或波前)。按照惠更斯原理，杨氏实验中的小孔可看成是单色点光源，而s1和s2是从s的波面或波前上分离出来的两个小面元所构成的子波源，它们所发出的球面子波是满足相干条件 的, 在它们交叠的区域中将出现干涉现象。显然，杨氏双缝干涉实验是典型的分波阵面干涉。波程差：=r2-r1=dsin=dtg=dx/Lsin=tg这是因为角度很小的时候，可以近似认为相等。干涉明条纹的位置可由干涉极大条件=k得： x=(L/d)k, 干涉暗条纹位置可由干涉极小条件=(k+1/2)得：x=(D/d)(k+1/2) 明条纹之间、暗条纹之间距都是x =(D/d)因此干涉条纹是等距离分布的。而且注意上面的公式都有波长参数在里面，波长越长，相差越大。条纹形状：为一组与狭缝平行、等间隔的直线（干涉条纹特点）菲涅尔双棱镜，菲涅尔双面镜、埃洛镜的干涉情况都与此类似。而爱因斯坦的光电效应则证明了光的粒子性，在这里不多加说明了。综上所述，可见光具有波粒二象性，在某些时候显示波动性，而在某些时候显示粒子性。我个人认为，这种说法其实是因为现阶段科学家们没有找到一种合适的解释方法，而波粒二象性就是两种说法的饿妥协产物。但是，尽管如此，波粒二象性的说法还是有一定的可行性的，它也在一定程度上很好的解释了光的本性。在未来，人类一定会找到更好的方式来解释光的本性。参考文献【1】廖延彪，光学原理与应用，电子工业出版社【2】