《大学物理--光的衍射发展史》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理--光的衍射发展史（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光的衍射发展史摘要：光的衍射是光的波动性的重要标志之一，从衍射的发现到衍射的应用经历了几百年的时间，期间花费许多科学家的心血，他们发挥了惊人的智慧，为光学的发展作出了巨大贡 献。关键词：【干涉现象】【发现】【惠更斯-菲涅耳原理】【应用】【发展】【原因】背景：光的衍射是光的波动性的重要标志之一， 光在传播过程中所呈 现的衍射现象， 进一步揭示了光的波动本性。 同时衍射也是讨 论现代光学问题的基础。 波在传播中表现出衍射现象，既不 沿直线传播而向各方向绕射的现象。论述：1. 光的干涉现象光的干涉现象是几束光相互叠加的结果。实际上即使是单 独的一束光投射在屏上，经过精密的观察，也有明暗条纹花样 出现
2、。例如把杨氏干涉实验装置中光阑上两个小孔之一遮蔽， 使点光源发出的光通过单孔照射到屏上，仔细观察时，可看到 屏上的明亮区域比根据光的直线传播所估计的要大得多，而且 还出现明暗不均匀分布的照度。光通过狭缝，甚至经过任何物 体的边缘，在不同程度上都有类似的情况。把一条金属细线（作 为对光的障碍物）放在屏的前面，在影的中央应该是最暗的地 方，实际观察到的却是亮的，这种光线绕过障碍物偏离直线传 播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强不均匀的分布的现象 叫做光的衍射。光的衍射现象的发现，与光的直线传播现象表现上是矛盾的 如果不能以波动观点对这两点作统一的解释，就难以确立光的波动 性概念。事实上，机械波也有
3、直线传播的现象。超声波就具有明显 的方向性。普通声波遇到巨大的障碍物时，也会投射清楚的影子， 例如在高大墙壁后面就听不到前面的的声响。在海港防波堤里面, 巨大的海浪也不能到达。微波一般也同样是以直线传播的。衍射现 象的出现与否，主要决定于障碍物线度和波长大小的对比。只有在 障碍物线度和波长可以比拟时,衍射现象才明显的表现出来。声波 的波长可达几十米，无线电波的波长可达几百米，它们遇到的障碍 物通常总远小于波长，因而在传播途中可以绕过这些障碍物，到达 不同的角度。一旦遇到巨大的障碍物时，直线传播才比较明显。超 声波的波长数量级小的只有几毫米，微波波长的数量级也与此类 似，通常遇到的障碍物都远较此
4、为大，因而它们一般都可以看作是 直线传播。光波波长约为3.9-7.6x10 cm，一般的障碍物或孔隙都远大于 此，因而通常都显示出光的直线传播现象。一旦遇到与波长差不多 数量级的障碍物或孔隙时，衍射现象就变的显著起来了。2. 光的衍射的发现光 的 衍 射 ， 是 由 意 大 利 物 理 学 家 格 里 马 尔 迪 (Grimaldi,Francesco Maria )(1618-1663 )发现的。他发现在点 光源的照射下，一根直竿形成的影子要比假定光以直线传播所 应有的宽度稍大一些，也就是说光并不严格按直线传播，而会 绕过障碍物前进。后来，他让一束光通过两个(前后排列的)狭缝后投射到一个空白
5、屏幕上。他发现，投射到该表面上的光带比进入第一道缝时的光束略微宽些。所以他认为，这束光在 狭缝边缘向外有所弯曲，他把这个现象称为衍射。这显然是光 线绕过障碍的一种情况。别外，1672 年 -1675 年间胡克（ 1635-1703 年）也观察到衍射现象。3. 衍射现象的解释和发展1815 年，菲涅耳建立了惠更斯 -菲涅耳原理， 他用此原理计 算了各种类型的孔和直边的衍射图样，令人信服地解释了衍射 现象。1815年菲涅耳在不知道托马斯杨已经做了实验并提出干涉原理的情况下，将一根细直而光滑的线放在点光源发出的光束中在屏上看到了彩色条纹。他精心地准确地在屏上测定了从光束的轴线到所产生的条纹的距离。他
6、注意到，当通过细线一边的光在到达屏之前被别的物体挡住时，屏上影内的光带就消失了。这个实验正在将菲涅耳引向发现干涉原理。许多科学家不承认这种现 象是由干涉造成的，并按当时流行的错误的衍射理论进行说明。菲涅耳为了消除人们的反对意见，设计了双面反射镜，这种装置 是由两块镜面夹角稍微小于 180的平面金属反射镜接合而成，利 用双面反射镜的两部分对某小光源的反射，得到两束相干光，产 生了清晰的干涉条纹。实验中，小光源发出的光与两个小孔或不 透明的障碍物的边缘无关，因而完全避开了衍射。实验的结果， 充分地肯定了光的干涉现象的存在，给那些不承认和怀疑光的干 涉现象的人们极为有力的回答。1815年 10 月，
7、菲涅耳向法国科学院提交了一篇关于衍射的研究报 告。报告中，他提出了研究分析衍射现象的惠更斯菲涅耳原理 其内容如下：波阵面 S 在空间任意点 P 所引起的振动，是构成 S 的所有波面元ds在P点引起的元振动的矢量和，ds和P点引起的 元振动的振幅，正比于它的面积，反比于它到 P 点的距离，且随 衍射角（ds的法线与衍射光线的夹角）0的增大而缓慢减小；ds 在P点引起的元振动的位相由ds的位相及ds到P点的距离决定。 它的数学表达式写为其中 为光波在空间任意点P引起的合振动，d 是P点的元 振动， 0 为衍射角， K（0 ）是随0 增大而缓慢减小的函数， r 为 波面元dS到P点的距离。对这一原理
8、的叙述中，我们可以清楚地 看到，菲涅耳继承和发扬了惠更斯原理中关于波面与子波的思想， 赋予波以频率、振幅和位相的特征，进一步完善了子波的概念， 同时他扬弃了惠更斯的包络面，用子波的叠加来解决衍射中空间 点处的振动问题，即用光的干涉理论补充和发展了惠更斯原理。 他从根本上指明了，一切衍射条纹本质上都是由于衍射光相干形 成的这样一个最基本的事实。从而菲涅耳将光的干涉与衍射理论提高到了一个新的水平。这一原理的提出，是菲涅耳在光学方面 的第二项重大贡献。这一年中，菲涅耳提出了环形半波带法，在 解决光源到障碍物与障碍物到屏两个距离中至少有一个为有限远 的菲涅耳型衍射方面取得了新的突破。这种方法，是以圆孔
9、轴线 上P点为基准点，将圆孔露出的球冠形波阵面S,带称为半波带，将它看成惠更斯菲涅耳原理中波面元。菲涅耳从波动理论 出发，在实验中解决了光的直线传播问题，也就自然地解决了影 的生成原理，令人信服地回答了惠更斯的波动说所不能圆满解释 的一个难题。与此同时，菲涅耳还指出光的干涉与衍射现象之所 以比声音的干涉与衍射现象少见，是因为光波的波长很短导致的4. 衍射的应用光的衍射决定光学仪器的分辨本领。气体或液体中的大量悬浮 粒子对光的散射，衍射也起重要的作用。在现代光学乃至现代物 理学和科学技术中，光的衍射得到了越来越广泛的应用。衍射应 用大致可以概括为以下四个方面： 衍射用于光谱分析。如衍射光栅光谱仪。 衍射用于结构分析。衍射图样对精细结构有一种相当敏感的“放大”作用，故而利用图样分析结构，如X射线结构学。 衍射成像。在相干光成像系统中 ,引进两次衍射成像概念， 由此发展成为空间滤波技术和光学信息处理。光瞳衍射导出成 像仪器的分辨本领。 衍射再现波阵面。这是全息术原理中的重要一步。参考资料：光的衍射2010/11/2
