幹涉與衍射是波特有的物理現象,對高中生而言,需要知道的是水波的幹涉和光波的幹涉。
先說水波的幹涉。
兩列水波在水面相遇。
如果兩列水波的波長(或者頻率)相等,波源又持續不斷地振動,水面上就會形成穩定的幹涉圖樣。
你會發現有的地方驚濤駭浪(振動加強),有的地方則風平浪靜(振動減弱),把這些振動加強和減弱的點連接起來,就變成了這樣的圖:
通過一定的數學知識,我們可以推知,這些連線就是數學上的雙曲線。
我們再取一個截面,換個角度來看這個問題。
有的地方振動加強,有的地方振動減弱,加強和減弱的區域相互間隔,這就是水波的幹涉圖樣。
高中生最熟悉的還是這個跟考試有關的,毫無美感的圖,實線表示的是波峰,虛線表示的是波谷。實線和實線相交、虛線和虛線相交的地方振動加強;實線與虛線相交的地方振動減弱。
需要特別說明的是,以上提供的任何圖片都是靜態的,但是水波的幹涉是動態的,波峰和波峰疊加的地方,質點被推到高高的浪尖,半個周期以後,波谷和波谷疊加,這個質點又跌入萬丈深淵。
不管在現實生活中,還是在實驗室,水波的幹涉都是很常見的現象,但是光波的幹涉不是這樣。
彩色的肥皂泡泡,馬路上油汙呈現出的五顏六色,都是光的幹涉的結果,這些現象在生活中很常見,只不過很久以來,人們並不知道這就是一種光的幹涉現象。
但是要在實驗室中做出光的幹涉現象,這並不容易。
由於光源發出的光非常複雜,我們需要一個小孔獲得點光源;由於光波的波長很短,我們需要兩個很窄並且靠的很近的狹縫,以獲得相干光源。這些小孔和狹縫小的幾乎用肉眼看不見,對製作工藝要求比較高。
我們看到的結果是這樣的。
我們看到了明暗相間的條紋。
在同樣的實驗裝置下,由於紅光的波長大於紫光的波長,因此我們看到紅光條紋間的距離要大於紫光。
如果用白光,我們就會看到彩色條紋,但是中央還是白色的。
相對雙縫幹涉實驗,在實驗室完成薄膜幹涉則容易的多,你只需要準備一個酒精燈,一個圓形的金屬框,一點食鹽,一點肥皂水就可以了。
用金屬框蘸一下肥皂水,形成一層很薄的肥皂膜,你就可以在肥皂膜上看到幹涉條紋。
往火焰上撒一點食鹽的目的是為了獲得黃光。
薄膜幹涉是從薄膜的前表面和後邊面反射光的疊加後形成的,由此人應該在酒精燈的左側看。
你就看到了這樣一副圖樣,左邊是白光的薄膜幹涉圖樣,右邊是黃光的薄膜幹涉圖樣。
最後,讓我們來比較一下水波的幹涉和光波的幹涉吧。
水波
光波
幹涉條件
兩列頻率相同的水波
兩列頻率(顏色)相同的光波
幹涉圖樣
有的地方振動加強,有的地方振動減弱,加強和減弱的區域相互間隔。
有的地方亮,有的地方暗,明暗相間、等距分布的條紋。
波長
比較大,容易發生(實驗室)
比較小,不容易發生(實驗室)
本質
機械波的幹涉
電磁波的幹涉
水波是一種機械波,水波的幹涉的本質是各點到兩個波源的距離不同,距離的差值(波程差)等於水波波長的整數倍,則會加強,波程差為半個波長的奇數倍,則會減弱。
光波是一種概率波,光波的幹涉大致可以按照水波幹涉的原理去解釋,實際上則要複雜的多,亮條紋是光子到達概率大的地方,暗條紋則是光子到達概率小的地方。