再议杨氏双缝干涉实验

周爱玲

摘要：杨氏设计出的双缝干涉实验比较巧妙，对研究物理学重要现象——光的干涉开辟了新的视角。他最先运用光的叠加原理对光的干涉进行解释，并首次测定出了光的波长，在物理学中的光波动学说研究中做出了重要贡献。在杨氏双缝干涉实验设计中狭白光为何也可以产生出双缝干涉？波长在发生变化时对干涉条纹有什么样的影响？在小孔的后面加上透明的介质薄膜后干涉条纹的会发生怎样的变化？进行了思考与探讨。

关键词：双缝干涉 杨氏 干涉条纹 狭缝

杨氏双缝干涉实验使人们认识到光不但具有粒子性，同时光也是一种波，它具有波的各种特性，比如干涉、衍射。同时该实验还表明光不是机械波，是概率波。在这个实验中，人们也对这个实验的一些环节产生了疑问，如狭缝s是否一定要存在等。而这些关于杨氏双缝实验的问题及疑问却很值得我们去思考、去探讨。

一、干涉概述

当空间频率与振动方向相同、相位差不变的两束光波在空间相遇时，在波重叠区域，某些点振动加强，某些点振动减弱，因而在空间形成强弱相间的稳定明暗或彩色条纹的现象，这种现象称为光的干涉。光的干涉是光的波动性的最好说明。日常生活出现的一些现象，比如小孩用肥皂吹出来的泡泡上，在太阳光的照射下呈现出的五颜六色，还有下过雨后的柏油路面上，在太阳光的照射下，我们可能观察到油膜的彩色图案等，都是由于光的干涉而形成的现象，都可以波动性来解释。要产生光的干涉现象，必须具备一定的条件，首先两束光的频率要相同，其次两束光的振动方向也要相同并且两束光的相位差必需恒定，具備这样的两束光我们称为的相干光。

二、杨氏双缝干涉

杨氏在十九世纪初就用非常巧妙的方法设计出了通过相位差对光的干涉进行研究的方法。并应用用叠加的原理阐述光与波一样也会发生干涉现象，为后来量子力学的发展奠定了坚实的基础。他在《自然哲学讲义》里第一次提道了了这个实验---杨氏双缝干涉实验。后来这个实验成为物理学史上最经典的五个实验之一，这个实验做起来非常简便，只需要一支蜡烛，两张不透光的纸，一张白纸就能做这个实验，首先把一支点燃的蜡烛放在其中开了一个小孔的不透光纸前面，在纸的后面就形成了一个点光源，然后在这张纸后面再放一张开了两道平行的狭缝的纸，在这张纸后面再放一张白纸当光屏，这样从小孔中透出的烛光穿过两道狭缝投到白纸上，就会出现干涉条纹，这就是著名的双缝干涉实验。杨的著作《自然哲学讲义》就好比在科学界平静的水面上投入了一颗石子，一石激起千层浪，光的微粒说和光的波动说两大学术界又展开了针缝相对的争论，但由于当时以牛顿为首的光的微粒说占主导地位。当时人们对光的本质属于探索初期，主要观点分为牛顿的微粒说和惠更斯等人的波动说。惠更斯的观点：光是一种纵波，光是机械振动在“以太”中的传播。杨则提出光是一种横波，它的著作受尽了权威们的嘲笑和讽刺，近20年间无人问津，杨为了反驳专门撰写了论文，但由于他的知名度很低，加之一些权威的作祟，无处发表，没办法只好自己印成小册子。但是据说发行后“只卖出了一本”。原因很简单，在此之前人们一直认为光是纵波，直到1819年法国年轻工程师菲涅耳，当时他才31岁，在《关于偏振光线的相互作用》论文里，才提出了光是横波的概念。

三、杨氏双缝干涉实验的讨论与思考

杨氏双缝干涉实验如上图所示。在图中我们可知，如果D、λ是一定值的时候，则e和d是成反比例的，此时d越小，则条纹分辨就会越清晰。如果λ1和λ2是成整数比的时候，则某些级次的干涉条纹就会发生重叠现象。如果换用白光进行本实验， 就会在中央会出现白色亮纹，同时其他各级次的条纹就会形成一个彩色光谱，即从中央向外由紫到红排列的彩色条纹。

1.为什么白光也能产生双缝干涉

两个相干的光的频率一样是满足相干条件的，但是白光中的光源比较多、波长长短不一样。此时，人们会问为何白光也可以发生双缝干涉呢？我们不可否认，白光含有频率不一样的可见光，而频率不一样的光波彼此之间是不相干的。不过，在通过两缝射出来的白光，存在频率一样的单色光，而此时就会发生干涉现象。S属于白光光源的时候，那么从s所发出来的任一长度波长的任何一个光波均会照在s1与s2上面，因此，s1发出的任一个光波均可以在s2中寻找到与自身相干的波。s1与s其实就是满足相干条件的白光光源，而每一种长度的波长的光都可以在观察屏上面产生一组杨氏条纹。各个波长产生的杨氏条纹叠加起来就会形成干涉图样。因为，各个单色光均处于中央线上面，其相位差均为0，其振动均需要加强，为此各个单色光可在中央线上出现明纹，所以我们看到中央明纹属于白色的。

2.光源S位置与实验结构对干涉条纹的影响

①光源S位置变化时：比光源S是向上移，则零级明纹会往下移，其干涉条纹会整体往上平移；反之如果S是向下移，则干涉条纹又会整体往上发生平移，但无论是光源S如何移动，是不会影响条纹之间的间距的。

②双缝之间的距离d发生变化时：如果d增大，则e减小，零级明纹的中心位置是会发生变化的，其条纹会变密。如果d逐渐减小，则e会逐渐增大，而条纹则会变成稀疏。

③双缝和屏幕的间距D变化时：如果D减小，则e会减小，但零级明纹中心的位置不变，条纹间距变密。如果D逐渐增大，则e会增大，其条纹是会变稀疏的。

3.小孔后加透明介时，对干涉条纹的影响

①如果在S1后面加透明介质薄膜，零级明纹就会上移到点P，干涉条纹均会同时整体往上发生平移。那么移过条纹的数目为：Δk=（n-1）t/λ；而条纹移动的距离则可通过 OP=Δk·e进行计算得到。

②如果在S2后面加透明的介质薄膜的话，则干涉条纹就会发生下移。

4.波长、单色光、复色光对干涉条纹的影响

当使用不同波长的单色光做杨氏双缝干涉实验时，在光屏上出现的干涉条纹各级的强度大体保持不变，是等间距并明暗交替条纹，并且条纹宽度会随着单色光的波长增大而相应的变宽。如果换用复色光白光照射，就会在光屏形成七彩条纹，条纹分面规律为中间是白纹，其余各级依次为由紫到红的彩色条纹。彩色条纹中，相同波长的光干涉加强的位置与使用单色光时相同。在较高干涉级中，还可以观察到红光越过高一级紫光位置的情况。

四、小结

杨氏双缝干涉实验的设计为我们研究量子物理学打下了坚实的基础。本文通过研究，认为狭缝s的存在是有必要的；白光也能产生双缝干涉；波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化呈现一定的规律的；在小孔后加透明介质薄膜，干涉条纹变化也是有规律的。

参考文献：

[1]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]谢敬辉.物理光学教程[M].北京理工大学，2011.

[3]张建秋.杨氏干涉条纹的理论分析与实验观察[J].新疆职业大学学报，2009，17（5）：79-80.