光會(huì)不會(huì)像水波一樣在遇到障礙物后出現(xiàn)衍射現(xiàn)象呢?本節(jié)我們將通過實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識光的衍射現(xiàn)象。
如圖 5-15 所示，用一束激光照射大小不一的小孔，觀察光屏上出現(xiàn)的現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)圓孔足夠小時(shí)，可觀察到屏上出現(xiàn)了明暗相間的圓環(huán)，說明光已傳播到原來應(yīng)是陰影的地方。這些現(xiàn)象用光的直線傳播無法解釋，
這種光繞過障礙物偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射。
產(chǎn)生衍射現(xiàn)象時(shí)，來自小孔不同位置的光在屏上相遇疊加，有的相互加強(qiáng)，有的相互減弱，形成明暗相間的衍射圖樣。
如果用單縫代替圓孔(圖5-16)，當(dāng)縫較寬時(shí)，光沿著直線方向通過狹縫，在屏上形成一條與單縫相似的亮條紋
單寬度逐漸減小時(shí)，亮條紋的寬度反而增大了，這表明光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，傳播到比單縫更寬的地方。
圖5-17 是用單縫產(chǎn)生的衍射圖樣，其中圖5-17(a)是紅光通過單縫時(shí)產(chǎn)生的衍射圖樣，圖5-17(b)是白光通過單縫時(shí)產(chǎn)生的衍射圖樣。
與機(jī)械波的衍射相似，光的明顯衍射也是有條件的。只有當(dāng)障礙物或孔的尺寸接近光的波長時(shí)，衍射才是明顯的。可見光的波長范圍通常是4.0×10-7~7.6×10-7m，而光所遇到的一般物體的線度都比它的波長大得多。
只有在光照射到像小孔、狹縫、針尖這樣細(xì)小的物體上時(shí)，我們才可能觀察到衍射現(xiàn)象以及它所產(chǎn)生的衍射圖樣。
刀片邊緣的衍射如圖5-18所示，讓一束光通過剃須刀片，仔細(xì)觀察，剃須刀片邊緣有條紋出現(xiàn)，這就是光在刀片邊緣處產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，不僅小孔、狹縫能使光產(chǎn)生衍射，不同形狀的各種障礙物都可能使光產(chǎn)生衍射，并在邊緣呈現(xiàn)明暗相間的衍射圖樣，從而使其影像的輪廓變得模糊不清。
泊松亮斑1818年，法國科學(xué)院為鼓勵(lì)對衍射問題的研究，懸覺征集這方面的論文。當(dāng)時(shí)年輕的物理學(xué)家菲涅耳按照波動(dòng)說深入研究了光的衍射，在論文中提出了解決行射問題的數(shù)學(xué)方法。
作為評委之一的法國科學(xué)家泊松，按照菲涅耳的理論計(jì)算了光在圓盤后的影像問題。他發(fā)現(xiàn)，如果該理論成立，那么在一定條件下，影的中心應(yīng)該出現(xiàn)一個(gè)亮斑。泊松認(rèn)為這是非?；闹嚳尚Φ模⒙暦Q駁倒了光的波動(dòng)說。
菲涅耳等人立即對此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不久，菲涅耳和物理學(xué)家阿拉果在實(shí)驗(yàn)中觀察到了這個(gè)亮斑(圖5-19)。這樣，泊松的計(jì)算反而支持了光的波動(dòng)說。后人為了紀(jì)念這個(gè)有意義的事件，把這個(gè)亮斑稱為泊松亮斑。
2.衍射對分辨本領(lǐng)的影響
光通過足夠小的孔時(shí)，會(huì)因衍射而明顯地偏離直線傳播方向，并產(chǎn)生衍射圖樣。這一現(xiàn)象對顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等精密光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了直接影響。
由兩個(gè)相鄰的點(diǎn)光源S1和S2發(fā)出的光，通過小孔后分別在屏上形成兩個(gè)像I1和I2 [圖5-20(a)]，這兩個(gè)像實(shí)際上是光源S1和S2的衍射圖樣。
如果換用更小的圓孔，保持S1和S2之間的距離和其他條件都不變，則會(huì)發(fā)現(xiàn)衍射現(xiàn)象更加明顯而使屏上兩個(gè)衍射圖樣變得更大[圖 5-20(b)]。
當(dāng)圓孔足夠小時(shí)，屏上的兩個(gè)衍射圖樣會(huì)出現(xiàn)部分重看，使兩個(gè)光源在屏上所成的像變得難以分辨。當(dāng)一個(gè)圓斑像的中心剛好落在另一個(gè)圓斑像的邊緣上時(shí)，我們稱這兩個(gè)像剛好能被分辨。
顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)與衍射有關(guān)顯微鏡(圖5-21)物鏡的直徑一般都比較小，衍射造成的影響比較明顯，便它的分辨本領(lǐng)受到限制。提高顯徽鏡的放大倍數(shù)只會(huì)使東西看起來更大些，但不能使分辯本領(lǐng)提高。
如果有兩個(gè)靠得很近的物體，在顯微鏡上成的像超過了由衍射現(xiàn)象所決定的分辯極限，即使采用很好的透鏡來提高顯徽鏡的放大倍數(shù)，也是徒勞無益的。所以，要有效地提高分辨本領(lǐng)，應(yīng)遠(yuǎn)用波長更短而不容易發(fā)生衍射現(xiàn)象的電子顯微鏡或離子顯微鏡。
對于望遠(yuǎn)鏡，因受到衍射現(xiàn)象的影響，不管物鏡是透鏡還是反射鏡，尺寸越大，分辨本領(lǐng)就越好?，F(xiàn)代天文臺(tái)中所用的大口徑天文望遠(yuǎn)鏡多數(shù)是反射式望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)榉瓷溏R可做得更大，使望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)更強(qiáng)大(圖5-22)
1821 年，德國物理學(xué)家夫瑯禾費(fèi)(1787-1826)利用衍射原理制造了一種光學(xué)器件:在兩個(gè)螺桿上繃上許多平行的細(xì)金屬線，或者在玻璃片上刻上許多均勻的細(xì)槽。因?yàn)樗蓄愃茤艡诘男螤睿员环Q為衍射光柵。衍射光柵可分為透射光柵和反射光柵。
典型的透射光柵在1mm 的玻璃板上刻有數(shù)百條細(xì)槽，這些細(xì)槽互相平行，距離相等整齊地排列在一起。光柵的每一條狹縫都能在接收屏上的同一位置產(chǎn)生單縫衍射圖樣。
不同狹縫產(chǎn)生的光是相干的，必定產(chǎn)生干涉，形成明暗相間的條紋。所以，在接收屏上得到的光柵衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果。
研究表明，多縫干涉的結(jié)果使光柵衍射的亮條紋的寬度比單縫衍射時(shí)窄得多。這樣我們就可在幾乎黑暗的背景上看到一系列又細(xì)又亮的條紋。光柵的這一特點(diǎn)，使它成為科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)應(yīng)用中一種常用的重要光學(xué)器件。
復(fù)色光經(jīng)光柵衍射后會(huì)彼此分開，如白光經(jīng)過光柵后能被分解并形成彩色條紋。由此，光柵作為分光器件，常被用于單色儀和光譜儀中。利用這一現(xiàn)象，人們通過光柵拍攝燈光時(shí)，會(huì)得到一種奇妙的效果(圖5-23)。
另外，孔雀細(xì)密的羽毛就像有規(guī)律地排列在一起的反射光柵(圖5-24)，使多束反射光相互干涉，也可形成閃爍絢麗的色彩。
1.通過兩個(gè)手指間的狹縫來觀察光源，當(dāng)獲縫寬度逐漸減小時(shí)，會(huì)觀察到什么現(xiàn)象?請?jiān)囈辉?，并作出解釋?.兩人分別站在一豬璃的兩側(cè)，彼此看不見卻能相互對話，這是為什么?3.光波發(fā)生干涉現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生干涉圖樣，發(fā)生衍射現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生衍射圖樣。請觀察對比雙干涉困樣與單縫衍射困樣，看看它們有什么區(qū)別:
4.如困所示，讓太陽光通過窗上的小孔射進(jìn)漆黑的室內(nèi)，并落在光滑的反射面(如玻璃、瓷碗、鍍鉻器件或涂有油漆的門窗等)上。這時(shí)，你瞇著眼并迎著反射方向看去，不但能看到反射面上的白點(diǎn)(太陽盛像)，同時(shí)還能看到在它的兩旁出現(xiàn)排對稱的彩帶，眼縫越細(xì)，這種現(xiàn)象越顯著，請分析原因。

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第3節(jié) 光的衍射

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