引入
光沿直线传播是日常经验,为什么光通过很窄的缝时会“拐弯”扩散开?
为什么望远镜口径越大,能看清的细节越多?
为什么显微镜不能无限放大,总有一个分辨极限?
衍射是波遇到障碍物后偏离直线传播的现象。它给所有光学仪器的分辨能力设了一个不可突破的上限,这个上限只由波长和口径决定。
正文
定义
光的衍射是光波遇到障碍物或通过狭缝时,偏离直线传播并产生明暗条纹分布的现象。
衍射的显著条件
障碍物或缝宽 与波长 相当时,衍射明显。 时衍射可忽略,光近似沿直线传播。
这就是为什么日常看不到光的衍射:门缝、窗框的尺寸远大于 。
惠更斯-菲涅耳原理
波前上每一点都可以看作新的子波源,这些子波的包络面构成新的波前。衍射图样是所有子波在观察点相干叠加的结果。
这个原理把“波如何绕过障碍物”转化为“无数子波如何叠加”,是分析一切衍射问题的出发点。
单缝夫琅禾费衍射
平行光通过宽度为 的狭缝,在远处屏幕上产生衍射图样。
暗纹条件:
| 特征 | 说明 |
|---|---|
| 中央明纹 | 最宽、最亮,宽度约为其他明纹的两倍 |
| 两侧明纹 | 亮度迅速减弱 |
| 中央明纹角宽度 | |
| 缝越窄 | 中央明纹越宽,衍射越显著 |
注意暗纹条件是 而不是明纹,这与双缝干涉正好相反,容易混。
圆孔衍射与分辨本领
光通过直径为 的圆孔,产生艾里斑:中央亮斑加同心暗环、亮环。
艾里斑的角半径(瑞利判据):
两个点光源的角间距小于 时,它们的艾里斑重叠过多,无法分辨。
| 仪器 | 提高分辨本领的方式 |
|---|---|
| 望远镜 | 增大口径 |
| 显微镜 | 增大数值孔径,用短波长 |
| 人眼 | 瞳孔直径约 –,约 |
这就是望远镜越造越大的物理原因:不是为了收集更多光,而是为了看得更清。
衍射与干涉的关系
| 项目 | 干涉 | 衍射 |
|---|---|---|
| 子波来源 | 有限个分立光源 | 同一波前的连续子波 |
| 条纹 | 等间距 | 中央最宽最亮,两侧衰减 |
| 数学处理 | 有限项求和 | 积分 |
双缝实验中,每条缝先发生衍射,两缝的衍射光再干涉。所以实际条纹的亮度不是均匀的,而是被单缝衍射的包络调制。
化学中的应用
引出
单缝衍射的分辨率有限。用大量等间距狭缝组成的光栅可以极大提高分辨能力,是光谱仪的核心分光元件。
光的干涉和光的衍射本质上都是波的相干叠加,只是参与叠加的子波来源不同。
为什么电子显微镜的分辨本领远高于光学显微镜?