第十三章 5 光的衍射

思考与讨论

我们知道，波能够绕过障碍物发生衍射。既然光也是一种波，为什么在日常生活中我们观察不到光的衍射，而且常常说“光沿直线传播”呢？

光的衍射

在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏（图13.5-1）。用单色平行光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上产生一条与缝宽相当的亮条纹。但是，当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了。这表明，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。图13.5-2是在一次实验中拍摄的屏上亮条纹的照片，上图的狭缝较窄，衍射后在屏上产生的中央亮条纹较宽。

在单缝衍射和圆孔衍射的照片中，都有一些亮条纹和暗条纹。这是由于来自单缝或圆孔上不同位置的光，通过缝或孔之后叠加时光波加强或者削弱的结果。如果用白光做衍射实验，得到的亮条纹是彩色的，这是由于不同波长的光在不同位置得到了加强。各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹（图13.5-3）。

对衍射现象的研究表明，我们平时说的“光沿直线传播”只是一种特殊情况。光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可以认为光是沿直线传播的。但是，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显，这时就不能说光沿直线传播了。

做一做

一、用激光笔做单缝衍射实验

将镜子镀银那一面以剃须刀划一条单缝，用玩具激光笔发出的激光投射在单缝上，观察在墙上形成的图样，思考产生这一现象的原因。

二、用传感器做单缝衍射实验

用光传感器也可以做单缝衍射实验，所用器材与图13.3-6相似，只需把铁架台中部的双缝换成单缝即可。荧光屏上显示的衍射图样和光强分布图象如图13.5-4所示。

科学足迹

泊松亮斑

图13.5-5是一个不透光的圆盘的影。要特别注意中心的亮斑，它是光绕过盘的边缘在这里叠加后形成的。这个亮斑还有一段有趣的故事。

1818年，法国的巴黎科学院为了鼓励对衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文。一位年轻的物理学家菲涅耳（A．Fresnel，1788 -1827）按照波动说深入研究了光的衍射，在论文中提出了严密地解决衍射问题的数学方法。

当时的另一位法国科学家泊松（S．Poisson，1781-1840）是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、在适当的距离上，影的中心会出现一个亮斑！泊松认为这是非常荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说。

但是，就在竞赛的关键时刻，评委阿拉果（D．Arago，1786 -1853）在实验中观察到了这个亮斑，这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑。

衍射光栅

单缝衍射的条纹比较宽，而且距离中央亮条纹较远的条纹，亮度也很低。因此，无论从测量的精确度，还是从可分辨的程度上说，单缝衍射都不能达到实用要求。

实验表明，如果增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加。光学仪器中用的衍射光栅就是据此制成的。它是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。在一块很平的玻璃上用金刚石刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕产生漫反射而不太透光，未刻的部分相当于透光的狭缝，这样就做成了透射光栅（图13.5-6）。如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成反射光栅。

做一做

用羽毛做光栅衍射实验

找一根鸡翅膀上的羽毛，鹅、鸭的翎毛也可以，最好是白色的。白天隔着羽毛观看太阳，或在晚上拿羽毛去看1m外的白炽灯，可以观察到衍射图样。羽毛上细密的羽丝充当了衍射光栅。试试看！

科学漫步

X射线衍射与双螺旋

在20世纪50年代，生物学家已经知道DNA是细胞中携带遗传信息的物质，下一步就是要搞清楚DNA的结构，从而确定它的化学作用。这项研究所根据的原理，已经早在几十年前由物理学家准备好了。

一定波长的光通过某种光栅发生衍射时的图样是确定的。反过来，根据某个衍射图样就可以确定相应光栅的结构。晶体中原子的排列是规则的，它们可以充当天然的衍射光栅。然而，原子之间的间隙大约为10^-10m，远小于可见光的波长，因此不能用可见光的衍射来研究分子的结构。X射线却很适合这个工作。

物理学家布拉格父子（W．H．Bragg，1862 -1942，W．L．Bragg，1890 -1971）首先研究了晶体对X射线的衍射。图中斑点的强度和位置包含着有关晶体的大量信息。他们的工作奠定了X射线晶体结构分析的实验和理论基础，为此，布拉格父子共获1915年诺贝尔物理学奖。

从1951年开始，英国生物学家威尔金斯和弗兰克林研究了DNA对X射线的衍射，获得了一系列DNA纤维的X射线衍射图样，而美国生物学家沃森（J．D．Watson，1928-）和英国生物学家克里克（F．H．C．Crick，1916-2004）则根据这些数据提出了DNA的双螺旋结构模型。这是生物学史上划时代的事件。它宣告了分子生物学的诞生，标志着生物学已经进入了分子水平。沃森、克里克和威尔金斯因此获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

问题与练习

1．用两枝铅笔夹成一条狭缝，将眼睛紧贴着狭缝并使狭缝与日光灯管或其他线状光源平行，你会观察到什么现象？试解释这个现象。

2．在不透光的挡板上安装一个宽度可以调节的狭缝，缝后放一个光屏。用平行单色光照射狭缝，当缝的宽度很小时，我们会从光屏上看到衍射条纹。此时，如果进一步调小狭缝的宽度，所看到的衍射条纹有什么变化？做这个实验，看你的判断是否正确。

用游标卡尺两个卡脚之间的缝隙做单缝，眼睛通过这个单缝观察线状光源，减小两个卡脚之间的距离，也可以看到衍射条纹的变化情况。

3．太阳光照着一块遮光板，遮光板上有一个较大的三角形孔。太阳光透过这个孔，在光屏上形成一个三角形光斑。请说明：遮光板上三角形孔的尺寸不断减小时，光屏上的图形将怎样变化？说出其中的道理。

发布时间：2017/1/29 下午9:33:14  阅读次数：3088