一个探索光的性质的实验

摘 要 光是一种振动的传播。光振动可以相互叠加、形成合振动。光的干涉与衍射效应应该是光振动的叠加效应，这可以通过干涉场的衍射实验来检验。

关键词 光振动 可叠加性 合振动

中图分类号：O431 文献标识码：A

光是一种振动的传播。光振动可以相互叠加、形成合振动。光的干涉与衍射效应应该是光振动的叠加效应。笔者在此介绍一个验证光的此性质的实验：干涉场的衍射实验。实验所用的仪器为大学物理实验用仪器——迈克尔逊干涉仪。

1 实验方法

实验所用的干涉场为点光源通过迈克尔逊干涉仪分振幅干涉所产生的干涉场。衍射小孔的直径为0.05mm，位置要选在条纹质量好的区域。调节动镜，干涉条纹连续移动、明暗条纹交替经过小孔，这时观察小孔衍射图样的变化。实验所用的光源为5mw的He-Ne激光器，由于小孔的通光量很小，因此不能在光屏上成像，但可以用眼睛直接观察。

2 实验现象

当调节动镜、干涉形成的明暗条纹交替经过小孔时，衍射图样的中央呈现亮斑与暗斑的交替变化，亮斑或暗斑周围的环纹也相应地呈现明暗交替的变化。当干涉明纹经过小孔时，衍射图样中央是亮斑；当干涉暗纹经过小孔时，衍射图样中央是暗斑（如图所示）。

3 实验分析及结论

当干涉明纹经过小孔时，由于明纹是两相干光合振幅较大的区域，从惠菲原理分析，小孔应产生中央是亮斑的衍射图样。实际正是如此。

当干涉暗纹经过小孔时，如果暗纹是光子数分布减少直至为零的区域，则衍射图样将逐渐减弱直至消失。当干涉暗纹中心点经过小孔时，衍射图样应消失。但实验现象是，当干涉暗纹中心点经过小孔时，小孔产生衍射图样，其衍射图样中央是暗斑，这说明暗纹中心点有光振动存在。暗纹本来就是两相干光合振幅逐渐减小并趋于零的区域，合振幅减小并趋于零并不意味着光振动减少并趋于零，在暗纹区，光振动依然以叠加态存在。从惠菲原理分析，这种叠加态应使小孔产生中央是暗斑的衍射图样。实际正是如此。

从实验结果分析，光的干涉效应应该是光振动的叠加效应。我们可以通过类似的方法来检验光的衍射效应是否为光振动的叠加效应，可以相信，光的衍射效应也同样应该是光振动的叠加效应。

4 实验讨论

（1）小孔衍射图样的亮度与实验所用的激光器的功率有关，大小与衍射小孔的孔径有关，清晰度与扩束透镜及迈氏干涉仪光学器件的质量有关。如果实验条件允许，提高激光器的功率、使用高质量的扩束透镜与光学器件以及使用孔径更小的衍射小孔，将会使实验效果更为明显。（2）光振动究竟是怎么回事，这是一个深刻的问题。如果光的干涉与衍射效应是光振动的叠加效应，那么所谓的光的量子性是怎么回事呢？笔者认为，光振动的周期性是其基本的属性，在光与物质发生相互作用时，能量的转移只能以一个周期的光振动的整数倍来进行。如果我们把一个周期的光振动看做一个光量子，那么能量的交换就表现出所谓的量子性。

参考文献

[1] 杨长铭，戴同庆，凌向虎.大学物理实验[M].武汉：武汉大学出版社，2005：199-205.

[2] 马文蔚，谢希顺，周雨青.物理学（第五版）下册[M].北京：高等教育出版社，2006：114-127.