在第二十章中,我們知道,兩列波相遇疊加,要想發生干涉,必須滿足以下三個相干條件:(1)振動方向相同;(2)頻率相同;(3)相位相同或相位差恒定。這三個條件必須同時具備,缺一不可。
在第十五章中,我們知道,平時看到的光線不是單個光列,而是許許多多光列混合在一起形成的,這些光列由光源中大量原子發出,包含了各種頻率,它們的振動方向、相位也都各不相同、隨機分布。因此,這樣的光線顯然不滿足上面的三個相干條件,是非相干光。
比如看書時,用兩盞燈照明,比一盞燈更亮,書桌上亮度也更均勻。從物理上講,這兩盞燈發出的光線,在桌面上相遇屬于非相干疊加。
如何才能得到相干疊加呢?
要想得到相干疊加,必須確保三個相干條件成立。
楊氏干涉實驗
1801年,T. Young首先設計了光的干涉實驗,用光的波動性解釋了光的干涉現象,并根據實驗結果第一次測算出了光的波長。T. Young的這個實驗有力地支持了光的波動學說。
圖1給出了楊氏干涉實驗裝置示意圖。由單色光源、單孔屏、雙孔屏及觀察屏四部分組成。
圖1 楊氏干涉實驗裝置示意圖
單色光源
單色光源意思是說,發出的光是單色的,只包含一個頻率的振動。這是理想情況。實際上,無論是自然界還是在實驗室里,都不存在單一頻率的光源,不論顏色如何純凈,總有一定的頻率分布,即單色光實際上是復色光。
除了激光是單色性很好的光源外,實驗室中常使用棱鏡或者光柵分光儀,獲得比較理想的單色光。如圖2所示,狹縫對準光譜,只要狹縫足夠窄,從狹縫中的出射光就認為是單色光。但是,狹縫畢竟有一定的寬度,所以,出射光實際上是復色光。
圖2 棱鏡分光儀
單孔屏
單色光源發出的光,照射到單孔屏上,透過小孔射出。只要小孔孔徑足夠小,可以認為單孔屏就是一個點光源。如圖3所示
圖3 點光源
所謂點光源,意思是這個光源就是一個點,向四面八方發出光線。經過相同傳播時間同相位的點組成的面,稱為波面。點光源的波面是一個球面,球面上各點光的振動方向一致,頻率相同,位相相同。
雙孔屏
雙孔屏上的兩個小孔相對單孔屏對稱分布,相距很小,孔徑也足夠小,可以認為雙孔屏就是兩個點光源。當光球面波同時傳播到雙孔時,從雙孔射出的光相遇時滿足相干條件,屏幕上不是均勻照明,而是呈現出明暗相間的干涉條紋,如圖4所示(圖中光線色彩是為了方便查看,不是光線本身的顏色)。
圖4 楊氏實驗干涉結果
知道雙孔之間的距離、雙孔屏到觀察屏的距離,測量得到屏幕上相鄰亮條紋的間隔,就可以計算出光波的波長。