菲涅耳对于干涉和衍射的研究有哪些特点?

菲涅耳对于干涉和衍射的研究有哪些特点?
菲涅耳对于干涉和衍射的研究有哪些特点?

菲涅耳对于干涉和衍射的研究有哪些特点?
早在17世纪,意大利的格里马第（F.M.Grimaldi,1618—1663）就发现了光的衍射现象.在点光源照明下,如果在狭窄的光束路径上放置一物体,那么在置于其后的屏幕上就不是轮廓分明的影子,其影子不但比较模糊而且沿着影子边缘还出现彩带.格里马第称这种现象为“衍射”.后来,英国科学家胡克（R.Hooke,1635—1703）也观察到类似的现象,但他们都未能对衍射现象作出正确的解释. 最先对光的衍射现象作出正确解释的是法国工程师奥古斯汀·菲涅耳（Augustin Fresnel,1788—1827）.他1806年从巴黎工科学校毕业,后来又在巴黎桥梁与道路专科学校学习三年,毕业后从事道路修理工作,当了八年工程师,由于他在光学研究方面崭露头角,菲涅耳就专门从事科学研究,自1814年开始,研究光的干涉和衍射现象.当时他并不知道英国科学家托马斯·杨（Thomas Young,1773—1829）的工作,但与杨氏一样,他把这些现象看作是光的波动说的证据. 1817年法国科学院举办了一次科学竞赛,要求参加者用精确的实验来演示光的全部衍射效应,并建立相应的理论.菲涅耳决定参加这次竞赛,他写了一篇叙述自己研究工作的论文,并于次年交给科学院.菲涅耳做过一系列光的衍射实验,他更精细地演示了格里马第的发现,在光源发出的光束照明下,一根细丝的影子内会出现明暗相间的光带.他用小孔实验证实,只要小孔的直径小到可以与光的波长相比拟时,光束通过小孔就能产生圆孔衍射图样,那是一圈一圈明暗相间的同心圆.他还演示了光通过圆屏、锐利的直边（例如刀口）、狭缝障碍时所产生的衍射效应. 在1818年应征论文中,菲涅耳在介绍他所进行的各种光的衍射实验的基础上,提出了今天被称为惠更斯—菲涅耳原理的新学说.惠更斯认为,在给出的ｔ时刻的波阵面可以看成是全部球面波的包络面,而在前一时刻ｔ０的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源.菲涅耳改进了惠更斯原理,并在此基础上建立了自己的理论.他认为,在ｔ时刻空间某一点的光波的幅值可以看成是所有球面波相干的结果,而在前一时刻ｔ０的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源. 菲涅耳根据这一原理研究了各种衍射现象,并创造了一种数学方法（菲涅耳波带法）,定量计算了这些情况下衍射带的分布.他研究了光通过小孔的情形,并计算出在位于这个小孔后面的屏上应看到什么样的图样.根据他的计算,如果光是单色的,在屏上应看到一些明暗交替的环,菲涅耳计算出这些环的半径取决于孔的大小、光源到小孔的距离和小孔到观察屏之间的距离. 菲涅耳根据波动说还论述了各种不同衍射孔的光衍射的其他情形,并计算了衍射条纹的分布,菲涅耳的所有计算都与实验结果相符. 科学院成立了专门评比委员会来审议应征的所有论文.该委员会的成员都是当时法国有名的学者,他们是阿拉果（D.F.Arage,1786－1853）、泊松（S.D.Poisson,1781－1840）、毕奥（J.B.Biot,1774－1862）、拉普拉斯（P.S.Laplace,1749－1827）和盖·吕萨克（J.L.Gay-Lussa,1778－1850）,其中泊松、毕奥和拉普拉斯都是相信光的微粒说的,而盖·吕萨克持中立态度.因此委员会不可能轻易相信菲涅耳的研究工作,但菲涅耳的计算结果与实验数据出色地符合,以致无法否定菲涅耳的论文,最后不得不授予他奖金.其中还发生了一件有趣的事情,评比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难以置信的结论：在一个图片的阴影中应当出现一个亮点.但是迄今为止谁也不曾观察到这一情景,看来这是绝对不可能的．泊松提出这个问题想以此来驳倒菲涅耳的波动说. 菲涅耳面临这一严重考验,他的理论正确与否,必须用实验来检验.菲涅耳的理论指出,只有当图片的半径很小时,这个亮点才明显,于是他又做了一次实验,结果真的得到泊松所提到的亮点,这充分证明了菲涅耳波动理论的正确性,后人戏剧性地称这个亮点为泊松亮点（或称泊松亮斑）.因此,人们常常把菲涅耳提出的衍射理论及其实验证明,作为他对波动光学的第一大贡献. 菲涅耳的成就对光的微粒说的信奉者是一大震动,使毕奥、拉普拉斯、泊松等拥护微粒说的知名学者也无言对答；而阿拉果在这一成就的感召下改信波动说了. 在这一时期,德国的夫琅和费（J.V.Fraunhofer,1787—1826）也对衍射现象进行了研究,但他与菲涅耳的研究不同,理论也更简单.菲涅耳演示的衍射实验,其光源和屏距衍射孔都不是无限远,因而对衍射孔都有一个张角．而夫琅和费研究衍射现象,将望远镜对准狭缝光源,并让狭缝成像在目镜的焦平面附近,这样入射光与出射光都是平行光,可以认为光源和光屏距衍射孔是无限远.我们把这种方式产生的衍射称为“夫琅和费衍射”,而前者称“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形,而且数学上更容易处理. 当然,菲涅耳的理论也不无缺点,菲涅耳开始把光波看作纵波,不能解释光的偏振,因此竭力回避这些问题.一直到马吕斯（E.L.Malus,1775—1812）发现了光的偏振现象后,菲涅耳才根据杨氏的提议把光看成是横波,这样不仅完善了光的波动说,而且由此出发,解释了光的偏振现象,完成了他对光偏振的一系列研究,这是他对波动光学的又一贡献.菲涅耳于1823年被选为巴黎科学院院士,1825年又被选为伦敦皇家学会会员,遗憾的是,菲涅耳卓有成就的一生太短暂了,他只活了39岁,于1827年因患肺病,在巴黎附近的乡间逝世. 还有一事值得一提,杨氏与菲涅耳先后都对波动光学作出了重要贡献,但他们之间并无激烈的优先权之争,他们之间的关系是友好与谦恭的.菲涅耳在1816年给杨氏的信中说道：“如果有什么能够安慰我没有获得优先权的利益的话,那就是：对我来说我遇到了以如此大量的重要发现丰富了物理学的学者,同时他大大地有助于加强对于我所采用的理论的信心”.而杨氏在1819年给菲涅耳的信中写道“先生,我为您赠送令人敬羡的论文表示万分感谢,在对光学进展最有贡献的许多论文中,您的论文确实也是有很高的地位的.”