光的衍射|泊松亮斑

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光的衍射

光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射。

光的衍射基本原理

光也是一种波，光的衍射的基本原理其实就是波的衍射。因此，我们可以借助机械波的衍射来理解光的衍射。下面来简要复习下机械波的衍射问题。

机械波衍射的概念：波的衍射指波在传播过程中，遇到障碍物后，能绕过障碍物；或遇到缝隙时传播方向发生变化的现象。

波的衍射与波的干涉都是波的重要特性之一，这是波动与其他运动模式的明显特征。波的衍射图像如下：

波的衍射示意图

前文已经提及，光是一种电磁波。因此，光也具有衍射行为。

wuli.in当一束光通过有孔的屏障以后，其强度可以波及到按直线传播定律所划定的几何阴影区内，也使得几何照明区内出现某些暗斑或暗纹。

衍射效应使光通过障碍物后空间的光强分布，既区别于几何光学给出的光强分布，又区别于光波自由传播时的光强分布（衍射光强有了一种重新分布）。

光的衍射典型案例：单缝衍射

单缝衍射是光在传播过程中遇到障碍物，光波会绕过障碍物继续传播的一种现象。如果波长与缝、孔或障碍物尺寸相当或者更大时，衍射现象最明显。

惠更斯原理表明，波源发出的波阵面上的每一点都可视为一个新的子波源。这些子波源发出次级子波，其后任一时刻次级子波的包迹决定新的波阵面。惠更斯原理用光波能确定光波的传播方向，但不能确定沿不同方向传播的光振动的振幅。

光的衍射典型案例：红光的单缝衍射

王尚老师辅导书物理自诊断每道题都有视频讲解，哪道题不会扫题旁二维码即可看视频，学习更高效，考试分数更高，欢迎添加微信teacherws咨询。红光的单缝衍射条纹如上图所示，白光的单缝衍射条纹如下图所示。红光单缝衍射条纹是中间宽，两边窄的图样。由于白光是红橙黄绿蓝靛紫的复合光，因此衍射图样比较模糊。这是因为各种光的波长大小不一，各自衍射效果不同，叠加之后的效果。我们用两根铅笔的缝隙去看日光灯，就会看到这样的效果，同学们可以试试。王尚老师新书物理自诊断每道题都有视频讲解，哪道题不会扫题旁二维码即可看视频，学习更高效，考试分数更高。欢迎咨询。

光的衍射典型案例：日光单缝衍射

光的衍射典型案例：泊松亮斑

当单色光照射在宽度小于或等于光源波长的小圆板或圆珠时，会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑，这个亮斑就被称为泊松亮斑。具体如图所示。

泊松亮斑示意图

泊松亮斑的由来

泊松亮斑是光的波动学说发展的产物。我们来回顾光的本性的发展历史：

1678年惠更斯向法国科学院提交了著作《光论》。在书中，惠更斯把光波假设为一横波，推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律，书中并未提到关于光谱分解为各种颜色的问题。

惠更斯的光的波动理论是研究碰撞现象的一个直接结果，他认为光是一种问题冲量，他类似于球与球之间的冲量的传递，这一研究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合。

英国物理学家托马斯·杨，法国物理学家菲涅耳，都是光的波动学说支持者的中流砥柱。托马斯·杨于1801年提出干涉理论，并利用干涉观念成功解释了牛顿环，同时也成为第一个近似测定波长的人。在1807年出版的《自然哲学和机械工艺讲义》中托马斯·杨对光的干涉再次作了解释。

王尚老师辅导书物理自诊断每道题都有视频讲解，哪道题不会扫题旁二维码即可看视频，学习更高效，考试分数更高，欢迎添加微信teacherws咨询。菲涅耳设计一个实验，利用两个与小孔或不透明障碍物边缘都无关的小光源，用两块彼此接近180°角的平面金属镜，避开衍射，由反射光束来产生干涉现象。并运用大量工具进行数学运算，使实验数据与计算结果一致，被授予优胜奖。菲涅耳用波动说解释影子的存在和光的直线传播，并指出光的干涉现象和声音的干涉现象所以不同，是由于光的波长短得多。

1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目：一是利用精确的实验确定光线的衍射效应；二是根据实验，用数学归纳法推求出光通过物体附近时的运动情况。在法国物理学家阿拉果与安培的鼓励和支持下，菲涅耳向科学院提交了应征论文。

他用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹。菲涅耳把自己的理论和对于实验的说明提交给评判委员会。参加这个委员会的全是大牛啊，都有谁呢？波动理论的热心支持者阿拉果；微粒论的支持者拉普拉斯、泊松和比奥；持中立态度的盖.吕萨克。

光的衍射

可想而知的是，菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子论者的反对。

在委员会的会议上泊松指出，根据菲涅耳的理论，应当能看到一种非常奇怪的现象：如果在光束的传播路径上，放置一块不透明的圆板，由于光在圆板边缘的衍射，在离圆板一定距离的地方，圆板阴影的中央应当出现一个亮斑，在当时来说，这简直是不可思议的，所以泊松宣称，他已驳倒了波动理论。

菲涅耳和阿拉果接受了这个挑战，立即用实验检验了这个理论预言，非常精彩地证实了这个理论的结论，影子中心的确出现了一个亮斑。

这一成功，为光的波动说增添了不少光辉。泊松是光的波动说的反对者，泊松根据菲涅耳的计算结果，得出在一个圆片的阴影中心应当出现一个亮点，这是令人难以相信的，过去也从没看到过，因此泊松认为这个计算结果足够证明光的波动说是荒谬的。但是恰巧，菲涅耳和阿拉果在试验中看到了这个亮斑，这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。过了不久，菲涅耳又用复杂的的理论计算表明，当这个圆片的半径很小时，这个亮点才比较明显。经过实验验证，果真如此。菲涅耳荣获了这一届的科学奖，而后人为纪念泊松的实验提供了方法（或者说挖苦泊松）就称这个亮点为泊松亮斑。菲涅耳开创了光学的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯·杨的波动理论，成为“物理光学的缔造者”。