1801年,英国物理学家托马斯·杨,利用双缝将通过一准直缝后的单色光的波面进行分割,观察到了光的干涉现象,这个实验构思巧妙,实验装置极为简单,在确立光的波动理论上杨氏实验具有决定性的意义。
图1-5(a)是杨氏双缝实验装置示意图,在普通单色光源前放一开有小孔S的屏,在通过小孔S的光波行进途中放置一块开有两个小孔S1和S2的屏,后来发现以狭缝代替小孔可获得更加明亮的干涉图样。实际实验中是用狭缝代替小孔。光波通过S1和S2后继续传播,在任何时刻,由点光源S发出的球面波的同一波面,被S1和S2分割为两部分,因此透过S1和S2的光波是满足相干条件的相干光,在叠加区域可用光屏和目镜观察到明暗相间的干涉条纹,如图1-5(b)所示。
图1-5 杨氏双缝实验图
设两平行狭缝S1和S2之间的距离为d,缝到光屏的距离为L,P是屏上任一点,距P0的距离为y,S1和S2到P点的距离分别为r1和r2,由图1-6可知,由S1和S2发出的光波在P点的光程差δ=r1-r2。在直角三角形PS1S'1和PS2S'2中有
上两式相减得
在杨氏双缝实验中有L≫d,r2+r1≈2L,由上式得
图1-6 干涉条纹计算图
屏上呈现亮条纹的区域,应满足δ=jλ(j=0,±1,±2,…),其到P0的距离y由式(1-24)可得
式中,j称为干涉级,j=0对应的条纹称零级亮条纹或中央亮条纹,j=1对应的亮条纹称第一级亮条纹,其余类推。
呈现暗条纹的区域到P0的距离为
同样,j=1,2,…对应的暗条纹,分别称第一级暗条纹、第二级暗条纹……(www.xing528.com)
相邻亮条纹(或暗条纹)的间距为
由式(1-27)可知,杨氏双缝实验的干涉图样相邻亮条纹和暗条纹的间距是相等的。如果实验中光源采用包含各种波长的光(白光),除零级亮条纹外,其余各级亮条纹是有颜色的。从两狭缝S1和S2发出的光波振幅相等。屏上任一点处的光强度根据式(1-18)为
可得双缝干涉光强分布曲线为图1-7所示。
图1-7 杨氏双缝实验光强分布曲线
例1-1:在杨氏双缝实验装置中,双缝间距为0.5mm,缝到光屏的距离为1m,若在S1后插入一块折射率n=1.5的玻璃片,观察到零级条纹移动了5mm,试求插入的玻璃片厚度。
解:设S1后插入玻璃片厚度为x,则S1,S2至P点的光程差为
根据式(1-24),可知
故
例1-1图
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