3.2: Young 的双缝干扰
在本节结束时,您将能够:
- 解释干扰现象
- 定义双缝的构造干扰和破坏性干扰
荷兰物理学家克里斯蒂安 ·惠更斯(1629—1695 年)认为光是波浪,但艾萨克·牛顿没有。 牛顿认为,对于颜色以及当时可以观察到的干扰和衍射效应,还有其他解释。 由于牛顿的巨大声誉,他的观点普遍占了上风;惠更斯原理奏效的事实不被视为证明光是波浪的直接证据。 许多年后的1801年,英国物理学家兼医生托马斯· 杨(Thomas Young)(1773—1829 年)用他现在经典的双缝实验展示了光学干扰,人们开始接受光的波浪特征。
如果不是一个而是两个波浪源,则可能会使海浪产生干扰,就像水上的波浪一样(图3.2.1)。 如果光是电磁波,则在适当情况下它必须表现出干扰效应。 在杨的实验中,阳光穿过木板上的针孔。 新出现的光束落在第二块板上的两个针孔上。 然后,两个针孔发出的光线落在屏幕上,在屏幕上观察到明暗的斑点图案。 这种模式被称为条纹,只能通过干扰(一种波浪现象)来解释。
![图中显示了干涉图案的照片。 蓝色表面上可见的白色圆圈的波浪从两个中心发出,并在多个点处相交。](https://phys.libretexts.org/@api/deki/files/15655/CNX_UPhysics_36_01_rippletank.jpg)
我们可以借助 Figure 来分析双缝干扰3.2.2,它描绘了一个类似于 Young 的设备。来自单色光源的光落在狭缝上S0。 发出的光线入射到S0另外两个狭缝上S2,这两个缝隙S1与之等距S0。 然后,和发出的光会产生屏幕上的干扰条纹图案S2。S1 假设所有狭缝都非常狭窄,可以将其视为惠根斯小波(光的本质)的次要点源。 SlS1 itS2 s an d 相距 d (d≤1mm),屏幕和缝隙之间的距离为 D(约 1m),远大于 d。
![图为双缝实验的示意图。 单色光首先穿过狭窄的狭缝 S0。 接下来是穿过两个狭缝 S1 和 S2,其中一个缝隙位于另一个之上,由距离 d 隔开。最后,光线到达形成干扰图案的屏幕。 双缝屏幕和最终屏幕之间的距离为 D。](https://phys.libretexts.org/@api/deki/files/10873/imageedit_1_9982858691.jpg)
由于假定S0是单色光的点源,因此次要惠更斯小波离开S1并S2始终保持恒定的相位差(在本例中为零,因为S1和S2等距S0)并且相位差相同频率。 据说消息来源S1S2是连贯的。 我们所说的相干波是指波相位或具有明确的相位关系。 “不相干” 一词意味着波浪具有随机的相位关系,如果S1和S2由两个独立的光源而不是单个光源照亮,则会出现这种关系S0。 两个独立的光源(可能是同一盏灯或太阳中的两个独立区域)通常不会一致发光,也就是说,不连贯地发光。 另外,由于S1和距离S2的距离相同S0,两个惠更斯小波的振幅是相等的。
Young 使用阳光,其中每个波长形成自己的图案,这使得效果更难看清。 在接下来的讨论中,我们举例说明了使用单色光(单 λ)进行的双缝实验,以阐明效果。 图中3.2.3显示了具有相同波长和振幅的两波的纯粹构造性和破坏性干扰。
![左图是建设性干扰的示意图。 两个相同的波相位产生振幅翻倍的波浪。 右图是破坏性干扰的示意图。 两个相同的波相位偏移了半个波长,从而产生了振幅为零的波浪。](https://phys.libretexts.org/@api/deki/files/15656/CNX_UPhysics_36_01_AmpWave.jpg)
当光线穿过狭窄的狭缝时,狭缝充当相干波的来源,光线以半圆波的形式扩散,如图所示3.2.1a。 纯粹的建设性干扰发生在波峰到波峰或波谷到低谷的地方。 纯粹的破坏性干扰发生在波峰到低谷的地方。 光线必须落在屏幕上并散射到我们的眼睛中,我们才能看到图案。 水浪的类似模式如图所示3.2.1。 请注意,具有建设性和破坏性干扰的区域以明确的角度从狭缝向外移动,直至原始光束。 这些角度取决于波长和狭缝之间的距离,如下所示。
![左图是双缝实验的示意图。 单色光进入两个狭缝 S1 和 S2。 光线穿过狭缝后会散开,波浪建设性和破坏性地重叠。 右图是条纹图案的照片,显示亮点以线条对齐。](https://phys.libretexts.org/@api/deki/files/15657/CNX_UPhysics_36_01_WavePattrn.jpg)
要了解双缝干扰模式,请考虑两个波浪如何从狭缝传播到屏幕(图3.2.5)。 每个缝隙与屏幕上给定点的距离都不同。 因此,不同数量的波长适合每条路径。 波浪从相位狭缝(波峰到波峰)开始,但如果路径的长度相差半个波长,它们最终可能会在屏幕上异相(波峰到波谷),从而造成破坏性干扰。 如果路径相差整个波长,则波浪相位(波峰到波峰)到达屏幕,产生建设性的干扰。 更一般地说,如果两个波长Δl之间的路径长度差异是波长的任意半整数 [(1/2) l、(3/2) λ等],则会发生破坏性干扰。 同样,如果路径长度差异是波长的任意整数数(α、2λ、3λ等),则会发生构造干扰。 这些条件可以表示为方程式:
Δl=mλ⏟constructive interference
为了m=0,±1,±2,±3…
Δl=(m+12)λ⏟destructuve interference
为了m=0,±1,±2,±3…
![图为示意图,显示波浪r1和r2穿过两个狭缝 S1 和 S2。 波浪在屏幕上的公共点 P 处汇合。](https://phys.libretexts.org/@api/deki/files/15654/CNX_UPhysics_36_01_IntrfTypes.jpg)