5-2光的干涉现象.PDF

224 高中選修物理(上) 5-2 光的干涉現象 如果光的本質真的是波動的話，則應該如第二章所討論的，會有干 涉及繞射等現象。但是在室內點燃兩隻蠟燭或打開兩盞燈，我們卻看見 牆壁幾乎被均勻照亮，並未出現亮暗的條紋或區域，與第二章第八節所 討論兩點波源的水波干涉的情況頗不一樣。是否另有其他的條件未被注 意到？ 我們先觀察水波的干涉現象，稍後再討論光波和水波有何不同。圖 5-10 所示水波干涉示意圖中，兩點波源為同時上下振動（稱為同相）， 可以形成干涉現象。如果這兩個點波源的振動快慢不同，它們產生的水 波無法在水面上某些區域形成始終加強或始終減弱的情形，因此不能形 成穩定的干涉條紋。 為確保兩點波源可以同時上下振動，我們將裝置改為圖 5-11 所示，S 為水波槽的點波源，AB 為擋板，其間的 S1 和 S2 為兩個小開口，S 位於 S1 和 S2 的垂直平分線上。由 S 發出的波抵達 S1 和 S2 兩開口時，為同一 波前，必是同相。由惠更斯原理知道，到達 S1 和 S2 的波前上的點可視為 兩個新的點波源。也就是水波經 S 和 S 後可因繞射而造成干涉 1 2 ▲圖 5-10 兩點波源的水波干涉示 ▲圖 5-11 點波源 S 發出的波經過 意圖。圖中的 S1 和 S2 為兩同相 兩個開口 S1 和 S2 後，由於波的 的點波源。 繞射，可將 S1 和 S2 視為點波 源，確保它們可以同時上下振 動。 第 5 章 物理光學 225 現象。其實，兩波源不一定要同相，只要頻率相同，相位差固定，就可 以造成清晰穩定的干涉現象。 若將圖 5-10 中的 S 和 S 改為兩支點燃的蠟燭或發亮的燈泡，圖中的 1 2 MN 為光屏（或牆壁）。結果如前所述，並未在光屏上呈現出亮暗的干涉 條紋。其原因是光波較水波複雜。現在我們知道，蠟燭或燈泡等普通光 源，例如燈絲發光是由燈絲的許許多多原子此起彼落各自發出光波，這 些光波的頻率不盡相同，相位差也無法維持固定，所以即使是同一燈泡 所發出的光並沒有同調性，更何況是兩個燈泡所發出的光。所以兩燈泡 所發的光要形成清晰穩定的干涉現象或干涉條紋是不可能的，以致無法 形成清晰穩定的干涉現象。 另外一個很重要的關鍵就是光波的波長較水波小太多了，若改用類 似圖 5-11 的裝置來做光的干涉實驗，則會因為 S 和 S 兩開口寬度遠大於 1 2 光波的波長，光經過開口後繞射的效果不明顯，以致無法疊加形成干涉 現象。 1801 年楊氏做了有名的雙狹縫干涉實驗，其裝置的示意圖類似圖 5- 12(a) 。光源發出的光先經過濾光器成為單色光，接著經過光屏 A 上的細 長狹縫 S （長的部分與頁面垂直），形成線光源，發出圓柱形波，如圖5- 12(b)所示，其橫截面為圓弧，再經光屏 B 上的兩平行細長狹縫 S1 和 S2 （亦與頁面垂直）後，在光屏C 產生亮暗的干涉條紋。裝置中的狹縫寬 度小於 0.1 mm （約略為刮鬍刀片尖銳部分的寬度），狹縫S 和 S 的間隔