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7.3:

干涉和衍射

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Chemistry
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Interference and Diffraction

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波的一个独特特性是当它们相互 接触时,它们相互作用的方式 使得合成波的振幅要么增大 要么减小。这种现象称为干涉。当两个波的波峰对齐时,它们是”同相”的。当这些波相互作用时,它们的振幅增加 就会产生振幅增大的波。这是建设性干涉。如果两个波不对齐—因此它们的波峰 在相反的方向—它们是”异相”的。在这种情况下,合成波的振幅较低。这是破坏性干涉。当一个波的波谷与 另一个波的波峰完全重叠时,两个波互相抵消。衍射是波的另一个特征性 行为。从俯视的角度观察一个波—因此波峰用垂直线表示 并且想象它正朝着一个有狭缝的 障碍物移动。屏障上的开口的大小 与波长相似。当波通过开口时,它会在 开口的拐角处弯曲并向不同的 方向扩散出去。但是当障碍物上有两个或更多的孔时,波是如何表现的呢?这可以用光源观察到。当光发射出来时,波通过 一对间隔很近的狭缝,产生两个衍射波。这些波相互干扰形成一个图案。当两个波传播相同的距离时,它们会产生建设性的干涉。这可以通过一条亮线的出现来观察。离中心一小段距离,在任何一个方向上,一个波比另一个波传播的距离稍长,它们就会变得”异相”破坏性干涉产生了一个黑暗区域。根据波传播的距离,形成了一个明暗相间的 线条的干涉图样。这个双缝实验证明了 光的波动性。

7.3:

干涉和衍射

干扰是波表现出的特征现象。当两个电磁波的波峰和波谷重合时,会产生振幅更大的波。这称为相长干涉。在这种情况下,两个相互作用的波彼此同相。

亦或,若两个波重合并相互作用,使得一个波的波谷与另一个波的波峰重合(以异相方式),则合成波将显示出低得多的振幅。这就是相消干涉。

波还显示出称为衍射的特征行为。当光束通过尺寸与入射光束波长相当的狭缝时,光束会在狭缝周围弯曲(又称衍射、绕射)。相反,当粒子流通过狭缝时,粒子只是从孔中出来。

此外,当光束穿过一对间隔开的狭缝,它们之间的距离与光的波长相当时,通过衍射过程在每个狭缝处产生圆波。这两个波互相干涉,因此在狭缝后短距离放置的屏幕上会得到暗线和亮线交替的干涉图。

当两个波传播相等的距离到达此点并产生相长干涉时,亮线在屏幕中心产生。当两个波沿任一方向远离中心的距离很小时,它们的传播距离会略有不同。它们不同步。当它们的行进距离之差恰好是波长的一半时,他们通过产生相消干涉相遇。较暗的区域对应于一个狭缝的波峰恰好与另一狭缝的波谷相重合(相消干涉)的区域,而最亮的区域对应于两个波的峰(或它们的两个波谷)恰好重合(相长干涉)。衍射图样是波的固有特性,为光的波特性提供了令人信服的证据。

本文改编自 Openstax,化学2e,第6.1节:电磁能量。