一個探索光的性質的實驗

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應該是光振動的疊加效應，這可以通過干涉場的衍射實驗來檢驗。

關鍵詞 光振動 可疊加性 合振動

中圖分類號：O431 文獻標識碼：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應該是光振動的疊加效應。筆者在此介紹一個驗證光的此性質的實驗：干涉場的衍射實驗。實驗所用的儀器為大學物理實驗用儀器——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生的干涉場。衍射小孔的直徑為0.05mm，位置要選在條紋質量好的區(qū)域。調節(jié)動鏡，干涉條紋連續(xù)移動、明暗條紋交替經過小孔，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 實驗現象

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

3 實驗分析及結論

當干涉明紋經過小孔時，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，小孔應產生中央是亮斑的衍射圖樣。實際正是如此。

當干涉暗紋經過小孔時，如果暗紋是光子數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。當干涉暗紋中心點經過小孔時，衍射圖樣應消失。但實驗現象是，當干涉暗紋中心點經過小孔時，小孔產生衍射圖樣，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)應使小孔產生中央是暗斑的衍射圖樣。實際正是如此。

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

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，大小與衍射小孔的孔徑有關，清晰度與擴束透鏡及邁氏干涉儀光學器件的質量有關。如果實驗條件允許，提高激光器的功率、使用高質量的擴束透鏡與光學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是光振動的疊加效應，那么所謂的光的量子性是怎么回事呢？筆者認為，光振動的周期性是其基本的屬性，在光與物質發(fā)生相互作用時，能量的轉移只能以一個周期的光振動的整數倍來進行。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出所謂的量子性。

參考文獻

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