菲涅耳衍射实验的历史回顾.pdfVIP

菲涅耳衍射实验的历史回顾 作者：佚名 早在17 世纪，意大利的格里马第（F. M. Grimaldi ，1618-1663）就发现了光的衍射现 象.在点光源照明下，如果在狭窄的光束路径上放置一物体，那么在置于其后的屏幕上就不 是轮廓分明的影子，其影子不但比较模糊而且沿着影子边缘还出现彩带。格里马第称这种 现象为“衍射”。后来，英国科学家胡克（R. Hooke, 1635-1703 ）也观察到类似的现象，但 他们都未能对衍射现象作出正确的解释。 菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel ，1788-1827）法国物理学家。1788 年5 月10 日生于布 罗利耶，1827 年7 月14 日卒于阿夫赖城。先后毕业于巴黎工艺学院与巴黎桥梁与公路学 校。一直在法国政府的一些部门当工程师。他在 1823 年当选为法国科学院院士，1825 年 为英国皇家学会会员。 菲涅耳的科学成就主要有两个方面。一是衍射，他以惠更斯原理和干涉原理为基础， 用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯-菲涅耳原理。以此加上其巧妙的半波带 法，他简单而定量地预言和说明了光的直狭缝、圆孔、圆屏及直边等的衍射（亮度分布及 变化）的现象，有力地击败了当时在法国权威界盛行的光的微粒说。他改进了杨氏双缝类 的分波前干涉而设制出干涉效果好得多的双面镜与双棱镜干涉装置，还制出了有如透镜聚 焦作用的半波带片。他的另一成就是在光的偏振方面：他与D .F. J. 阿拉戈一起研究了偏 振光的干涉，肯定了光是横波；他发现了圆和椭圆偏振光，用波动说解释了偏振光的左右 旋和旋光现象；他用光的固体弹性波理论推导出介质表面上反射与折射光的在不同振向的 振幅和强度的菲涅耳公式，从理论上得到分振幅干涉中出现的半波损失问题；解释了E.-L. 马吕斯的反射光偏振现象和双轴晶体中的双折射现象，从而建立了晶体光学的基础。菲涅 耳是较早研究运动介质中光学问题的人，为此他对以太在运动媒介中的状态作了必要的提 议；这在以太问题的讨论中曾产生过影响，他提出地球（或相对以太运动的介质）运动时 部分地曳引其中的以太的观点，并给出了相应的曳引系数〔即相对以太的速度为v 而折射 率为n 的介质中的光速。这点为后来A. H. L.菲佐的拖曳实验所证实，但却与以前和以后 的一些别的有关以太的实验结果相矛盾，导致后来经典动体光学和电学中的种种困难，这 些直到A.爱因斯坦的相对论出现之后才被解决。 最先对光的衍射现象作出正确解释的是菲涅耳。他 1806 年从巴黎工科学校毕业，后 来又在巴黎桥梁与道路专科学校学习三年，毕业后从事道路修理工作，当了八年工程师， 由于他在光学研究方面崭露头角，菲涅耳就专门从事科学研究，自 1814 年开始，研究光 的干涉和衍射现象.当时他并不知道英国科学家托马斯·杨（Thomas Young，1773-1829） 的工作，但与杨氏一样，他把这些现象看作是光的波动说的证据。 1817 年法国科学院举办了一次科学竞赛，要求参加者用精确的实验来演示光的全部衍 射效应，并建立相应的理论。菲涅耳决定参加这次竞赛，他写了一篇叙述自己研究工作的 论文，并于次年交给科学院.菲涅耳做过一系列光的衍射实验，他更精细地演示了格里马第 的发现，在光源发出的光束照明下，一根细丝的影子内会出现明暗相间的光带.他用小孔实 验证实，只要小孔的直径小到可以与光的波长相比拟时，光束通过小孔就能产生圆孔衍射 图样，那是一圈一圈明暗相间的同心圆.他还演示了光通过圆屏、锐利的直边（例如刀口）、 狭缝障碍时所产生的衍射效应。 在 1818 年应征论文中，菲涅耳在介绍他所进行的各种光的衍射实验的基础上，提出 了今天被称为惠更斯—菲涅耳原理的新学说.惠更斯认为，在给出的t 时刻的波阵面可以看 成是全部球面波的包络面，而在前一时刻 t0 的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源. 菲涅耳改进了惠更斯原理，并在此基础上建立了自己的理论。他认为，在t 时刻空间某一 点的光波的幅值可以看成是所有球面波相干的结果，而在前一时刻t0 的波阵面上的所有各 点是这些球面波的波源。 菲涅耳根据这一原理研究了各种衍射现象，并创造了一种数学方法（菲涅耳波带法）， 定量计算了这些情况下衍射带的分布.他研究了光通过小孔的情形，并计算出在位于这个小 孔后面的屏上应看到什么样的图样.根据他的计算，如果光是单色的，在屏上应