论杨氏双缝干涉实验成果.doc

在1807年,托马斯·杨扬总结出版了他的《自然哲学讲义》,里面综合整理了他在光学方面的工作,并在里面第一次描述了他那个名扬四海的实验:光的双缝干涉。后来的历史证明,这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列,而在今天,它已经出现在每一本中学物理的教科书上。   杨的实验手段极其简单:把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面,这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源)。现在在纸后面再放一张纸,不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上,就会形成一系列明、暗交替的条纹,这就是现在众人皆知的双缝干涉条纹。 理论依据   让我们考虑这一“原型的”量子力学实验。一束电子或光或其他种类的“粒子——波”通过双窄缝射到后面的屏幕去。为了确定起见,我们用光做实验。按照通常的命名法,光量子称为“光子”。光作为粒子(亦即光子)的呈现最清楚地发生在屏幕上。光接收是以光子单位的完全有或完全没有的现象。只有整数个光子才被观察到。   然而,光子通过缝隙时似乎产生了类波动的行为。先假定只有一条缝是开的(另一条缝被堵住)。光通过该缝后就被散开来,这是被称作光衍射的波动传播的一个特征。但是,这些对于粒子的图像仍是成立的。可以想象缝隙的边缘附近的某种影响使光子随机地偏折到两边去。当相当强的光也就是大量的光子通过缝隙时,屏幕上的照度显得非常均匀。但是如果降低光强度,则人们可断定,其亮度分布的确是由单独的斑点组成——和粒子图像相一致——是单独的光子打到屏幕上。亮度光滑的表观是由于大量的光子参与的统计效应。光子在通过狭缝时的确被随机地弯折——弯折角不同则概率不同,就这样地得到了所观察到的亮度分布。   然而,当我们打开另一条缝隙时就出现了粒子图像的关键问题!假设光是来自于一个黄色的钠灯,这样它基本上具有纯粹的非混合的颜色——用技术上的术语称为单色的,也即具有确定的波长或频率。在粒子图像中,这表明所有光子具有同样的能量。此处波长约为5×10-7米。,,屏幕大概在一米那么远。在相当强的光源照射下,我们仍然得到了规则的亮度模式。但是现在我们在屏幕中心附近可看到大约三毫米宽的称为干涉模式的条纹的波动形状。我们也许会期望第二个缝隙的打开会简单地把屏幕的光强加倍。如果我们考虑总的照度,这是对的。但是现在强度的模式的细节和单缝时完全不同。屏幕上的一些点——也就是模式在该处最亮处——照度为以前的四倍,而不仅仅是二倍。在另外的一些点--也就是模式在该处最暗处--光强为零。强度为零的点给粒子图像带来了最大的困惑。这些点是只有一条缝打开时粒子非常乐意来的地方。现在我们打开了另一条缝,忽然发现不知怎么搞的光子被防止跑到那里去。  当光通过缝隙时,它似乎像波动而不像粒子那样行为。这种抵消--对消干涉--是波动的一个众所周知的性质。如来两条路径的每一条分别都可让光通过,而现在两条同时都开放,则它们完全可能会相互抵消。我解释了何以致此。如果从一条缝隙来的一部分光和从另一条缝隙来的“同相”(也就是两个部分波的波峰同时发生,波谷也同时发生),则它们将互相加强。但是如果它们刚好“反相”(也就是一个部分波的波峰重叠到另一部分的波谷上),则它们将互相抵消。在双缝实验中,只要屏幕上到两缝隙的距离之差为波长的整数倍的地方,则波峰和