菲涅耳对干涉和衍射的研究有什么特点?

早在公元17世纪,意大利人格里马就发现了光的衍射现象(F.M .马尔迪,1618—1663)。在点光源的照射下,如果把一个物体放在一个狭窄的光路中,在它后面的屏幕上就不会是一个轮廓分明的影子。阴影不仅模糊不清,而且沿着阴影边缘还出现了彩色条带。grimma首先将这种现象称为“衍射”。后来,英国科学家r·胡克(1635-1703)也观察到了类似的现象,但他们未能正确解释衍射现象。

?法国工程师奥古斯丁·菲涅耳(1788-1827)第一个正确解释了光的衍射现象。1806毕业于巴黎理工大学,后在巴黎桥梁与道路学院学习三年。毕业后,他当了八年工程师。因为光学研究,菲涅耳专门从事科学研究,从1814开始研究光的干涉和衍射。当时他还不知道英国科学家(1773-1829)的工作,但他和杨一样,把这些现象作为光涨落理论的证据。

?1817法国科学院举办科学竞赛,要求参赛者用精确的实验论证光的所有衍射效应,并建立相应的理论。菲涅耳决定参加这次比赛,他写了一篇描述他的研究工作的论文,并于次年交给了科学院。菲涅耳做了一系列光的衍射实验,他更详细地演示了格里姆的发现。在光源发出的光束照射下,在一根灯丝的阴影中,会出现一条光带与光交替。他用小孔实验证实,只要孔的直径小到与光的波长相当,光束就能产生圆孔衍射图样,这是一圈光与光交替的同心圆。他还演示了光通过圆形屏幕、尖锐的直边(如刀口)和狭缝障碍物时的衍射效应。

?在1818的申请论文中,菲涅耳在介绍他的各种光的衍射实验的基础上,提出了一个新的理论,叫做惠更斯-菲涅耳原理。惠更斯认为给定时刻t的波前可以看作所有球面波的包络,前一时刻t0波前上的所有点就是这些球面波的波源。菲涅耳改进的惠更斯原理。在此基础上,他建立了自己的理论。他认为光波在时间空间T中某一点的振幅可以看作是所有球面波相干的结果,前一时刻t0波前上的所有点都是这些球面波的波源。

?根据这一原理,菲涅耳研究了各种衍射现象,并创造了一种数学方法(菲涅耳带法)来定量计算这些情况下衍射带的分布。他研究了光穿过一个小孔的情况,计算出在这个小孔后面的屏幕上应该看到什么图案。根据他的计算,如果光是单色的,屏幕上应该会看到一些明暗交替的圆环,而菲涅耳计算出这些圆环的半径取决于孔的大小,光源到小孔的距离等等。

?根据波动理论,菲涅耳还讨论了不同衍射孔的光衍射的其他情况,并计算了衍射条纹的分布。所有菲涅耳计算与实验结果一致。

?科学院成立了一个专门的评审委员会来审查所有申请的论文。委员会的成员都是当时著名的法国学者,分别是阿拉戈(D.F. Arage,1786-1853)和泊松(S.D. Poisson,1781-65438)。1774-1862)、拉普拉斯(P.S .拉普拉斯,1749-1827)和盖·吕萨克(J.L .盖伊-卢萨,1778-18)。另一方面,盖·吕萨克是中立的。因此,委员会不可能轻易信任菲涅耳的研究工作,但菲涅耳的计算结果与实验数据非常吻合,以至于不能否定菲涅耳的论文。最后,他不得不被授予一个奖项。一件有趣的事情发生了。鉴定委员会成员泊松看了菲涅耳的计算后发现,根据这些计算,会得出一个不可思议的结论:一幅画的阴影里应该有一个亮点。但到目前为止,还没有人观察到这种情况,而且似乎

?菲涅尔正面临着这一严峻的考验,他的理论是否正确,必须通过实验来检验。菲涅尔的理论指出这个亮点只有在画面半径很小的情况下才很明显,于是他又做了一个实验,结果真的得到了泊松提到的亮点,充分证明了菲涅尔波动理论的正确性,后人戏剧性地把这个亮点称为泊松亮点(或泊松亮点)。因此,人们经常证明菲涅耳的衍射理论及其实验。

?菲涅尔的成就对光的粒子理论的信徒来说是一个巨大的震撼,让毕奥、拉普拉斯、泊松等支持粒子理论的知名学者哑口无言。受这一成就的鼓舞,阿拉戈改变了主意,转而研究波动理论。

?在此期间,德国的j . v . Fraunhofer(1787-1826)也研究了衍射现象,但他的理论比菲涅耳的更简单。菲涅耳演示衍射实验,光源和屏幕离衍射孔不是无限远,所以衍射孔有一个张角。狭缝成像在目镜焦平面附近,使入射光和出射光为平行光,可以认为光源与光屏的距离是无限的。这样产生的衍射我们称之为“夫琅和费衍射”,而前者称之为“菲涅耳衍射”。可以看出,夫琅和费衍射是菲涅耳衍射的一种极限情况,在数学上更容易处理。

?当然,菲涅耳的理论也有不足之处。菲涅尔开始把光波看成纵波,无法解释光的偏振,于是他尽力回避这些问题。直到马里乌斯(E.L. Malus,1775-1812)发现了光的偏振,菲涅尔才根据杨的提议把光看作横波,这不仅改善了光,偏振,他解释了光,完成了光的偏振的一系列研究,这是对波动光学的又一贡献。菲涅耳于1823年当选巴黎科学院院士,1825年当选伦敦皇家学会会员。不幸的是,菲涅尔成功的一生太短暂了。他只活了39岁,1827患肺病。

?另外值得一提的是,扬和菲涅耳都先后对波动光学做出了重要贡献,但两人之间并没有激烈的优先权之争,关系友好谦逊。菲涅尔在1816年写给杨的信中说:“如果有什么可以安慰我没有得到优先权的话,那就是:对我来说,我遇到了用那么多重要发现丰富了物理学的学者。同时,这也大大有助于增强对我所采用的理论的信心。”杨在给菲涅尔的信(1819)中写道:“先生,非常感谢您给我一篇令人钦佩的论文。在众多对光学进步贡献最大的论文中,你的论文真的地位很高。”