一個探索光的性質(zhì)的實驗

摘 要 光是一種振動的傳播。光振動可以相互疊加、形成合振動。光的干涉與衍射效應(yīng)應(yīng)該是光振動的疊加效應(yīng)，這可以通過干涉場的衍射實驗來檢驗。

關(guān)鍵詞 光振動 可疊加性 合振動

中圖分類號：O431 文獻標(biāo)識碼：A

光是一種振動的傳播。光振動可以相互疊加、形成合振動。光的干涉與衍射效應(yīng)應(yīng)該是光振動的疊加效應(yīng)。筆者在此介紹一個驗證光的此性質(zhì)的實驗：干涉場的衍射實驗。實驗所用的儀器為大學(xué)物理實驗用儀器——邁克爾遜干涉儀。

1 實驗方法

實驗所用的干涉場為點光源通過邁克爾遜干涉儀分振幅干涉所產(chǎn)生的干涉場。衍射小孔的直徑為0.05mm，位置要選在條紋質(zhì)量好的區(qū)域。調(diào)節(jié)動鏡，干涉條紋連續(xù)移動、明暗條紋交替經(jīng)過小孔，這時觀察小孔衍射圖樣的變化。實驗所用的光源為5mw的He-Ne激光器，由于小孔的通光量很小，因此不能在光屏上成像，但可以用眼睛直接觀察。

2 實驗現(xiàn)象

當(dāng)調(diào)節(jié)動鏡、干涉形成的明暗條紋交替經(jīng)過小孔時，衍射圖樣的中央呈現(xiàn)亮斑與暗斑的交替變化，亮斑或暗斑周圍的環(huán)紋也相應(yīng)地呈現(xiàn)明暗交替的變化。當(dāng)干涉明紋經(jīng)過小孔時，衍射圖樣中央是亮斑；當(dāng)干涉暗紋經(jīng)過小孔時，衍射圖樣中央是暗斑（如圖所示）。

3 實驗分析及結(jié)論

當(dāng)干涉明紋經(jīng)過小孔時，由于明紋是兩相干光合振幅較大的區(qū)域，從惠菲原理分析，小孔應(yīng)產(chǎn)生中央是亮斑的衍射圖樣。實際正是如此。

當(dāng)干涉暗紋經(jīng)過小孔時，如果暗紋是光子數(shù)分布減少直至為零的區(qū)域，則衍射圖樣將逐漸減弱直至消失。當(dāng)干涉暗紋中心點經(jīng)過小孔時，衍射圖樣應(yīng)消失。但實驗現(xiàn)象是，當(dāng)干涉暗紋中心點經(jīng)過小孔時，小孔產(chǎn)生衍射圖樣，其衍射圖樣中央是暗斑，這說明暗紋中心點有光振動存在。暗紋本來就是兩相干光合振幅逐漸減小并趨于零的區(qū)域，合振幅減小并趨于零并不意味著光振動減少并趨于零，在暗紋區(qū)，光振動依然以疊加態(tài)存在。從惠菲原理分析，這種疊加態(tài)應(yīng)使小孔產(chǎn)生中央是暗斑的衍射圖樣。實際正是如此。

從實驗結(jié)果分析，光的干涉效應(yīng)應(yīng)該是光振動的疊加效應(yīng)。我們可以通過類似的方法來檢驗光的衍射效應(yīng)是否為光振動的疊加效應(yīng)，可以相信，光的衍射效應(yīng)也同樣應(yīng)該是光振動的疊加效應(yīng)。

4 實驗討論

（1）小孔衍射圖樣的亮度與實驗所用的激光器的功率有關(guān)，大小與衍射小孔的孔徑有關(guān)，清晰度與擴束透鏡及邁氏干涉儀光學(xué)器件的質(zhì)量有關(guān)。如果實驗條件允許，提高激光器的功率、使用高質(zhì)量的擴束透鏡與光學(xué)器件以及使用孔徑更小的衍射小孔，將會使實驗效果更為明顯。（2）光振動究竟是怎么回事，這是一個深刻的問題。如果光的干涉與衍射效應(yīng)是光振動的疊加效應(yīng)，那么所謂的光的量子性是怎么回事呢？筆者認(rèn)為，光振動的周期性是其基本的屬性，在光與物質(zhì)發(fā)生相互作用時，能量的轉(zhuǎn)移只能以一個周期的光振動的整數(shù)倍來進行。如果我們把一個周期的光振動看做一個光量子，那么能量的交換就表現(xiàn)出所謂的量子性。

參考文獻

[1] 楊長銘，戴同慶，凌向虎.大學(xué)物理實驗[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005：199-205.

[2] 馬文蔚，謝希順，周雨青.物理學(xué)（第五版）下冊[M].北京：高等教育出版社，2006：114-127.