双缝实验

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物理学史期末论文

托马斯·杨与他的双缝实验

1773年6月13日，托马斯．杨出生于英国萨默塞特郡米尔弗顿一个富裕的

贵格会教徒家庭，他是十个孩子中的老大，是一个天才儿童。杨两岁就学会了看书，十四岁时用拉丁文写过一篇自传，就在当时他已掌握了多种语言。在中学时期，他已能够阅读拉丁文和布腊文的经典著作以及意大利和法国作家的著作，并且能运用这些作者的语言对所读过的内容做笔记。他还把他的学习扩大到了东方语言―希伯来语、波斯语、阿拉伯语等。他还学习过牛顿的《原理》、拉瓦锡的《化学纲要》以及其他的一些科学著作。

在杨成年后，他对职业的选择受到了他叔父的影响，他的叔父是一位卓越的医生，杨在家庭同意下转到了医学方面。于是在十九岁时，他去伦敦学习医学。他在伦敦见到了许多地位高的人物。他经常拜访政治家伯克、画家雷诺兹以及贵族社会的一些成员，他开始成为见世面的人。

杨研究了眼睛的调节机理，并在1794年，他二十一岁时，被选为皇家学会会员。之后他从伦敦前往爱丁堡和哥廷根继续研究医学。1797年回到英国，进入剑桥的伊曼纽尔学院继续攻读医学。当时他大学里的同学都叫他为“奇人杨”，兼有嘲弄和尊敬之意。进入伊曼纽尔学院后不久，杨曾去伦敦拜访他当医生的叔父，这位叔父去世时留给他一笔巨大遗产，包括房屋、书籍、艺术品和一万英镑现款。这笔巨大遗产使他在经济上完全独立，帮助他度过了一生。1799年杨在剑桥大学完成了学习。那时他已读过了一些著名数学家例如欧拉、伯努利家族和达朗贝尔关于振动弦的著作，并且对他们的著作进行了深入钻研。他在学习过程中提出了一些思想，只是后来他发现大陆数学家早在许多年前就已先于他而提出来了。

1799年，杨开始在伦敦行医。当时的医学几乎没有什么疗效，诊断技术也极为落后。公众健康问题还有许多事情待做。杨的医学名声是好的，但并不杰出。他也许是科学家的气质太浓了，作为时行的医生还不够，因此不能成为医学界的领导人物。另一方面，他对眼睛生理学和解剖学写过不少论文，对颜色视觉的研究也获得了有长远学术价值的结果。到1803年，杨已是知名的物理学家了，被聘为伦敦皇家学院自然哲学教授。皇家学院是美国出生的汤普森、即后来的伦福德伯爵发起和出资创办的独特的学院。杨在皇家学院时间不长，仅仅三年。他缺乏教师所必需的讲课才能，他的讲课常常超出了学生的理解能力。后来他编著了一部重要作《自然哲学和机械学讲义》，一共两卷，就是以他在皇家学院的讲义为根据的。离开皇家学院后，杨把大部分时间致力于行医。1802年他被选为皇家学会的外事秘书，他的精力非常旺盛的一生于1829年结束，终年五十六岁。

托马斯．杨在物理学上最杰出的贡献是在光学和声学领域，特别是光的波动性质的研究。1801年他进行了著名的杨氏双缝实验，证明光以波动形式存在，而不是牛顿所想象的光颗粒，该实验被评为“物理最美实验”之一。

托马斯．杨提出了光波的频率和波长的概念，并解释了牛顿环现象。他叙述了他所发现的“简单而普遍的规律”：“同一束光的两个不同部分，以不同的路径要末完全一样地，要末在方向上十分接近地进入眼睛，在光线的路程差是某个长度的整数倍的地方，光就增强，而在干涉区域的中间部分，光将最强。对于不同颜色的光束来说，这个长度是不同的。”


他指出，牛顿环的明暗条纹，就是由不同界面反射出的光互相重合产生“干涉”的结果。位相相反的振动迭加起来就互相抵消，位相相同的则互相加强。他用实验的办法确证了他所提出的这一假设。他用紫外光投射到薄层上，使紫外光从上下两个界面反射产生干涉。由于紫外光是人眼所看不见的，他就让反射光落在涂有氯化银溶液的纸上，结果出现了黑环，从而证明了他的干涉原理。他精确地确定了各种色光的波长值。他指出：“根据各种实验的比较，组成极端红光的波的宽度，在空气中，似应假定约为三万六千分之一英寸，极端紫光的约为六万分之一英寸。”

在1803年11月24日的报告中，托马斯．杨把干涉原理应用于解释衍射现象。他知道，光能绕过不透明物体的边缘产生有色的影子，并认为这种衍射条纹是直接通过衍射缝的光和边界波的干涉产生的。在这篇论文中，他用光从较密介质反射时的半波损失，补充了他关于薄板颜色的理论。

上述这些实验和理论的研究，被托马斯．杨综合入1807年出版的《自然哲学讲义》中。在这本书中，他描述了现在众所周知的双缝干涉的基本实验：点光源的光通过两个相邻的平行狭缝，当这两速光相遇时，就在屏幕上形成一系列明暗干涉条纹。但是，他的理论却没有立即得到重视，而且由于认为光是纵波，这给他的理论带来了很大的弱点。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻攻击，被说成是“没有任何价值”的、“荒唐”和“不合逻辑”的。托马斯．杨虽然进行了回击，但仍未获得科学界的理解和承认。这个自牛顿以来在物理光学上最重要的成果，就这样被缺乏科学讨论气氛的守旧的舆论压制埋没了将近二十年。直到菲涅耳提出他的波动理论后，托马斯．杨才获得了应有的荣誉。 杨氏干涉实验的巧妙之处在于，他让通过一个小针孔S0的一束光，再通过两个小针孔S1和S2，变成两束光。这样的两束光因为来自同一光源，所以它们是相干的。结果表明，在光屏上果然看见了明暗相间的干涉图样。后来，又以狭缝代替针孔，进行了双缝干涉实验，得到了更明亮的干涉条纹。在他之前，不少人曾进行过光的干涉实验。由于他们是用两个独立的非相干光源发出的两束光迭加，因此，这些实验都失败了。

他用这个实验首先引入干涉概念论证了波动说，又利用波动说解释了牛顿环的成因和薄膜的彩色。1801年他引入叠加原理，把惠更斯的波动理论和牛顿的色彩理论结合起来，成功地解释了规则光栅产生的色彩现象。1803年，他又用波动理论解释了障碍物影子具有彩色毛边的现象。1820年他用比较完善的波动理论对光的偏振作出了比较满意的解释，认为只要承认光波是横波，必然会产生偏振现象。

“双缝实验”中的问题

一、狭缝s的存在有没有必要

在“杨氏实验”中，s是一很小的狭缝（或小孔），通过s的光照射到s1和s2上，在光屏上形成明暗相间的干涉条纹。同学们往往提出，这个狭缝s的存在是否有必要？若用一个普通光源代替s去照射s1和s2，光屏上能否出现干涉条纹？回答当然是狭缝s的存在是必要的。用普通光源代替s，光屏上不可能出现干涉条纹。因为干涉条件要求，只有同一波列自身之间才能发生干涉，不同的光源之间，以及同一光源的不同部分发出的光都不满足相干条件。由于狭缝s的存在，且s很小，光波到达s1s就成为发射柱面波（s若为小孔，则发射球面波）的波源。它们又各发出一个柱面（或球面）形次波。由于这两个次波来自同一个波面，因此它们的频率相同；由于s1与s2距离很近，因此振动方向近似一

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