光的绕射:狭缝宽度、波长与 HSC 物理

了解光为什么通过狭窄开口后会扩散,以及狭缝宽度和波长如何影响绕射。学习如何分析绕射图样并比较不同情况下的绕射程度。

让雷射光穿过一个较宽的开口时,光大致仍会继续向前传播。现在把开口缩窄。你认为会发生什么事?

按照光线模型,较窄的开口似乎应该产生较窄的一条光带。然而,当开口缩小到一定程度后,光反而会扩散得更广。

这就是绕射。这个看似反直觉的特点值得记住:把开口缩窄,反而可以使透射光扩散得更宽。

01为什么光通过狭窄开口后会扩散?

先想像一个平坦的波前正接近一道狭缝。

如果狭缝宽度远大于波长,大部分波会继续向前传播。边缘附近会有一些扩散,但整体光束看起来仍然相当笔直。

现在逐渐缩窄狭缝,直到它的宽度更接近波长。此时,从狭缝射出的波会向更大的方向范围扩散。

平面光波前分别通过宽狭缝和窄狭缝的并排示意图。通过宽狭缝后,波前大致保持平直;通过窄狭缝后,则形成广泛扩散的弯曲波前。图中标示波长 λ 和狭缝宽度 a。
当狭缝宽度 a 相对于波长 λ 变小时,绕射会变得更明显。

惠更斯原理提供了一个很有用的初步模型。可以想像开口上的每一个点都收到同一则群组聊天讯息:「现在开始产生一个新的波。」每一点都像是一个小型次级波的波源。

这些次级波会互相重叠。在较宽的开口中,向侧面传播的成分往往会更强烈地互相抵消,因此大部分波仍向前传播。在较窄的开口中,这些偏离中央轴线的成分彼此抵消得较少,所以在更广的方向范围内仍有显著的光存在。

不过,这个类比有一个重要限制:狭缝内并不是真的坐著数百个微小光源。惠更斯的建构方法,是用来预测原有波前如何继续传播。

这也能修正一个常见但容易造成误解的说法。光产生绕射,并不是因为光子撞到边缘后向侧面反弹。整个透射波前都会对绕射图样作出贡献。

02真正重要的比较:波长与开口大小

两个重要的物理量是:

  • \(\lambda\),光的波长,以米为单位
  • \(a\),开口的宽度,以米为单位

一个很有用的比较方式,是考虑无因次比值

\[ \frac{\lambda}{a} \]

这并不是另一条能算出精确「弯曲量」的「绕射公式」。它只是用来比较不同情况的方法。

相对大小预期现象
\(a \gg \lambda\)几乎看不到明显的扩散
\(a\) 只比 \(\lambda\) 大一些绕射开始变得明显
\(a\) 与 \(\lambda\) 相若明显扩散
\(a\) 小于 \(\lambda\)波动效应非常强,不过通过极小开口的透射也可能变弱

所以,并不存在一个神奇的开关,让绕射在 \(a=\lambda\) 时突然开始。任何有限大小的开口都会产生绕射。只是在开口比波长大得多时,绕射非常难以察觉。

可见光的波长大约只有数百奈米。门口的宽度约为一米,因此一个门口横跨了数百万个波长。这就是为什么可见光不会在普通门口周围明显地向外散开。

声音则不同。一个频率为 500 Hz、以约 \(340\ \text{m s}^{-1}\) 传播的声波,其波长为

\[ \lambda=\frac{v}{f} =\frac{340}{500} =0.68\ \text{m} \]

其中 \(v\) 是波速,\(f\) 是频率。

\(0.68\ \text{m}\) 的波长与门口的尺寸相若。这就是为什么即使你看不到门外说话的人,仍能听到对方的声音。同样的波动行为正在发生;只是各个尺寸之间的相对关系非常不同。

范例:哪一种颜色扩散得更多?

波长为 \(650\ \text{nm}\) 的红光和波长为 \(450\ \text{nm}\) 的蓝光,分别通过同一条 \(0.10\ \text{mm}\) 的狭缝。哪一种光会产生较明显的绕射?

步骤 1:找出保持不变的量。

两种颜色的光都通过同一条狭缝,因此 \(a\) 不变。波长较大的光便会有较大的 \(\lambda/a\) 比值。

步骤 2:换算单位。

对红光而言,

\[ \lambda_{\text{red}}=650\times10^{-9}\ \text{m} \]

对蓝光而言,

\[ \lambda_{\text{blue}}=450\times10^{-9}\ \text{m} \]

狭缝宽度为

\[ a=0.10\ \text{mm}=1.0\times10^{-4}\ \text{m} \]

步骤 3:比较比值。

\[ \frac{\lambda_{\text{red}}}{a} = \frac{650\times10^{-9}}{1.0\times10^{-4}} = 6.5\times10^{-3} \]

以及

\[ \frac{\lambda_{\text{blue}}}{a} = \frac{450\times10^{-9}}{1.0\times10^{-4}} = 4.5\times10^{-3} \]

步骤 4:解释结果。

红光的波长与狭缝宽度之比更大,因此它会产生较大的角度扩散。

一个很容易采用的简化说法是「红光弯曲得更多」。但应该说得更精确一些。这里并没有任何因素令红光发生折射。它的绕射较明显,是因为它的波长相对于开口尺寸更大。

03为什么缩窄狭缝会增加绕射?

假设波长保持不变,而你把狭缝宽度减半。

预测 \(\lambda/a\) 会怎样改变。

因为 \(a\) 变小,所以 \(\lambda/a\) 变大。因此,波会在更大的角度范围内扩散。

如果你完全以光线或粒子的方式思考,这可能会感觉很反直觉。较小的孔似乎应该把光束限制得更紧。这样的预测忽略了光的波动性。

不过,还有另一个效应:较窄的开口会让较少的光通过。因此,两件事会同时发生:

  • 透射图样会扩散得更广,而且
  • 总透射光量通常会减少。

「绕射更多」并不代表「光更多」。

范例:从频率预测绕射

单色光的频率为 \(5.0\times10^{14}\ \text{Hz}\)。先让它通过一道 \(0.30\ \text{mm}\) 的狭缝,再让它通过一道 \(0.030\ \text{mm}\) 的狭缝。预测哪一条狭缝会产生较明显的绕射。

取光在空气中的速率约为 \(3.0\times10^8\ \text{m s}^{-1}\)。

步骤 1:求波长。

对电磁波而言,

\[ c=f\lambda \]

其中 \(c\) 是光速,\(f\) 是频率,而 \(\lambda\) 是波长。

重新整理,

\[ \lambda=\frac{c}{f} = \frac{3.0\times10^8}{5.0\times10^{14}} = 6.0\times10^{-7}\ \text{m} \]

所以波长是 \(600\ \text{nm}\)。

步骤 2:比较光与较宽狭缝的尺寸。

对 \(a=0.30\ \text{mm}=3.0\times10^{-4}\ \text{m}\) 而言,

\[ \frac{\lambda}{a} = \frac{6.0\times10^{-7}}{3.0\times10^{-4}} = 2.0\times10^{-3} \]

步骤 3:比较光与较窄狭缝的尺寸。

对 \(a=0.030\ \text{mm}=3.0\times10^{-5}\ \text{m}\) 而言,

\[ \frac{\lambda}{a} = \frac{6.0\times10^{-7}}{3.0\times10^{-5}} = 2.0\times10^{-2} \]

步骤 4:解释比较结果。

较窄的狭缝使波长与狭缝宽度之比增大十倍。因此,它会产生明显得多的扩散。

留意我们没有作出什么主张。我们并没有把 \(\lambda/a\) 当作计算实际图样宽度的精确方程式。我们只是利用它作出可靠的定性比较。

04屏幕上会出现什么?

单狭缝通常不会产生一片亮度均匀、呈扇形散开的光。

相反,通过开口不同部分的波会彼此干涉。屏幕上会出现一个宽而明亮的中央区域,两侧有较暗的区域,以及亮度较弱的亮带。

单狭缝绕射示意图,显示光从窄狭缝扩散至屏幕,形成宽阔而明亮的中央极大、暗极小和较暗的侧极大,并标示屏幕距离 L 和中央宽度 W。
单狭缝会产生宽阔的中央极大,以及较弱的侧极大;随著绕射角增大,中央宽度 W 也会增加。

这种图样提供了一个重要线索,帮助我们理解绕射究竟是什么。它不只是「光在边缘发生弯曲」。它来自穿过孔径不同部分的波互相叠加。

当狭缝变窄时,绕射图样会在更大的角度范围内扩散。如果屏幕与狭缝的距离保持不变,明亮的中央区域会变得更宽。

05如何正确研究绕射?

一个简单的实验可以测试狭缝宽度如何影响单色光的扩散。

使用低功率的课堂用雷射、一组窄狭缝或可调狭缝,以及一个屏幕。绝对不要直视雷射光束,也不要把雷射射向其他人的眼睛。

把屏幕放在狭缝后方固定距离 \(L\) 的位置。先使用较宽的狭缝,观察图样,再逐步减小狭缝宽度。

在实验前先作出预测:如果波动模型正确,中央区域应该变宽还是变窄?

它应该变宽。缩窄开口会增加波长与开口宽度之比,因此角度扩散会增加。

变量

合理的实验可以采用:

变量选择
自变量狭缝宽度 \(a\)
应变量绕射图样的宽度或角度扩散
控制变量波长、屏幕距离、雷射对准方式、测量方法和环境条件

保持波长不变很重要。否则,如果同时改变颜色和狭缝宽度,就很难判断究竟是哪一项改变导致新的图样。

保持屏幕距离不变也很重要。

假设绕射角度完全不变,但你把屏幕移到两倍远的位置。即使绕射本身没有改变,屏幕上的图样也会大约变成两倍宽。

这表示单凭屏幕上的图样宽度,并不一定能公平地衡量绕射程度。

如果 \(W\) 是中央明亮区域的宽度,而 \(L\) 是狭缝到屏幕的距离,则可以利用几何关系求出半角 \(\theta\):

\[ \tan\theta=\frac{W/2}{L} \]

或

\[ \theta=\tan^{-1}\left(\frac{W}{2L}\right) \]

这样即使 \(L\) 并不完全相同,你仍可以比较角度扩散。

实验应该显示什么?

当 \(a\) 减小而 \(\lambda\) 保持不变时:

  • 角度扩散增加,
  • 在固定屏幕距离下,中央明亮区域变宽,
  • 两侧的特征彼此分得更开,而且
  • 通过开口的总光量通常会减少。

重复测量很有帮助,因为要判断明亮区域究竟在哪里结束可能并不容易。较暗的房间、固定的屏幕位置、仔细的对准,以及重复测量,都能提升数据品质。

06绕射并不是折射

这两个词都涉及光的传播方向发生改变,所以很容易混淆。

绕射折射
波通过障碍物或受限制的开口时发生波进入波速发生改变的区域时发生
强烈取决于波长相对于障碍物或开口尺寸的大小取决于波在两种介质中的速率
即使光仍在同一种介质中也可以发生需要不同介质之间的传播条件发生改变
产生扩散,而对孔径而言还会形成干涉图样通常使透射光线的方向发生改变

通过狭缝并不会自动改变光的速率或频率。因此,这种扩散不能用折射来解释。

07值得留意的常见误解

「只有当开口大小等于波长时才会发生绕射」

不对。绕射并不会在某个临界点突然开始。

只要波受到开口或障碍物限制,就会发生绕射。当开口尺寸逐渐接近波长时,这种效应会明显得多。

「开口越窄,光束就越窄」

按照简单的光线模型,这是一个合理的预测,但当开口足够狭窄时,这个模型便不再适用。

较小的 \(a\) 会产生较大的 \(\lambda/a\),因此透射波反而会扩散得更广。

「光撞到边缘后向侧面反弹」

边缘并不是微小的镜子。

孔径限制了原本的波前。剩余的波前各部分会产生相互叠加的波,形成绕射图样。

「较长波长总是绕射得更多」

只有在相关开口尺寸相同时才成立。

通过非常窄狭缝的较短波长,可能比通过较宽狭缝的较长波长产生更强的绕射。你必须比较 \(\lambda\) 与 \(a\),而不是只看 \(\lambda\)。

「屏幕上的图样较宽,就一定代表绕射较强」

不一定。

把屏幕移得更远,图样的实际宽度也会增加。应比较角度,或者保持屏幕距离不变。

08问题与解答

问题 1

波长为 \(650\ \text{nm}\) 的红光和波长为 \(405\ \text{nm}\) 的紫光,分别通过同一条 \(0.080\ \text{mm}\) 的狭缝。

哪一种光会产生较强的绕射?请比较 \(\lambda/a\) 以支持你的答案。

解答 1

红光会产生较强的绕射,因为相对于同一狭缝宽度,它的波长较大。

换算狭缝宽度:

\[ a=0.080\ \text{mm}=8.0\times10^{-5}\ \text{m} \]

对红光而言,

\[ \frac{\lambda}{a} = \frac{650\times10^{-9}}{8.0\times10^{-5}} = 8.1\times10^{-3} \]

对紫光而言,

\[ \frac{\lambda}{a} = \frac{405\times10^{-9}}{8.0\times10^{-5}} = 5.1\times10^{-3} \]

红光的比值较大,因此它的绕射图样具有较大的角度扩散。

一个很容易采用的解释是红光「更容易弯曲」。但这样会掩盖真正的物理原因。重要的条件是波长相对于开口宽度的大小。

问题 2

进行两次实验。

试验波长狭缝宽度
A\(650\ \text{nm}\)\(0.20\ \text{mm}\)
B\(450\ \text{nm}\)\(0.10\ \text{mm}\)

一名学生认为,试验 A 一定会显示较强的绕射,因为红光的波长较长。

判断实际上哪一次试验应该产生较大的扩散,并解释这名学生推理中的问题。

解答 2

尽管试验 B 使用较短的波长,它仍应该产生较大的扩散。

对试验 A 而言,

\[ \frac{\lambda_A}{a_A} = \frac{650\times10^{-9}}{0.20\times10^{-3}} = 3.25\times10^{-3} \]

对试验 B 而言,

\[ \frac{\lambda_B}{a_B} = \frac{450\times10^{-9}}{0.10\times10^{-3}} = 4.50\times10^{-3} \]

因此,

\[ \frac{\lambda_B}{a_B}> \frac{\lambda_A}{a_A} \]

所以试验 B 会产生较大的角度扩散。

只有在狭缝宽度保持不变时,这名学生的推理才适用。这里有两个量同时改变。试验 B 的波长较短,这倾向于减少绕射;但它的狭缝也窄得多,这倾向于增加绕射。狭缝宽度的改变影响更大。

因此,「波长越长,绕射越强」是一条不完整的规则。真正有用的比较,是波长相对于开口尺寸的大小。

问题 3

两次试验使用同一支雷射。

试验狭缝宽度 \(a\)屏幕距离 \(L\)测得的中央宽度 \(W\)
1\(0.20\ \text{mm}\)\(1.00\ \text{m}\)\(8.0\ \text{mm}\)
2\(0.10\ \text{mm}\)\(1.50\ \text{m}\)\(24.0\ \text{mm}\)

一名学生说:「图样变成三倍宽,所以绕射角也变成三倍大。」

评估这个说法。计算每次试验中中央区域的半角,并指出实验设计可以如何改进。

解答 3

绕射角大约增加为原来的两倍,而不是三倍;这名学生的比较忽略了屏幕距离的改变。

对试验 1 而言,

\[ \tan\theta_1=\frac{W_1/2}{L_1} = \frac{4.0\times10^{-3}}{1.00} = 4.0\times10^{-3} \]

因此,

\[ \theta_1=\tan^{-1}(4.0\times10^{-3}) \approx0.229^\circ \]

对试验 2 而言,

\[ \tan\theta_2 = \frac{12.0\times10^{-3}}{1.50} = 8.0\times10^{-3} \]

所以

\[ \theta_2=\tan^{-1}(8.0\times10^{-3}) \approx0.458^\circ \]

因此,

\[ \frac{\theta_2}{\theta_1} \approx \frac{0.458}{0.229} \approx2.0 \]

第二个图样在屏幕上的实际宽度是原来的三倍,但屏幕与狭缝的距离也变成原来的 \(1.5\) 倍。这两个改变都会影响测得的宽度。

如果在改变狭缝宽度时保持 \(L\) 不变,实验会更清楚。如果无法做到,学生便应该比较计算得到的角度扩散,而不是直接比较屏幕上的实际宽度。

一个很容易犯的错误,是把 \(W\) 当成绕射程度的直接量度。忽略的条件是几何关系:相同的角度扩散,在距离更远的屏幕上会形成更大的实际图样。

问题 4

一支雷射在空气中的波长为 \(660\ \text{nm}\)。一道 \(2.0\ \mu\text{m}\) 的狭缝和观察屏幕起初都位于空气中。

之后,把包含狭缝和屏幕的整个区域都充满折射率为 \(1.33\) 的水。狭缝的实际宽度不变。

假设雷射的频率保持不变。

预测光在水中的绕射会如何改变。计算光在水中的波长,并比较两种情况下的 \(\lambda/a\)。

一名学生认为,由于雷射的频率相同,所以绕射一定保持不变。

解答 4

在水中,绕射会变得较不明显,因为波长缩短了,而狭缝的实际宽度保持不变。

光进入水中时,频率的确保持不变,但其速率会降低。由于

\[ v=f\lambda \]

在频率不变的情况下,较低的波速意味著较短的波长。

利用

\[ n=\frac{c}{v} \]

介质中的波长可以写成

\[ \lambda_{\text{water}} = \frac{\lambda_{\text{air}}}{n} \]

因此,

\[ \lambda_{\text{water}} = \frac{660\ \text{nm}}{1.33} \approx496\ \text{nm} \]

狭缝宽度为

\[ a=2.0\ \mu\text{m}=2000\ \text{nm} \]

在空气中,

\[ \frac{\lambda_{\text{air}}}{a} = \frac{660}{2000} = 0.330 \]

在水中,

\[ \frac{\lambda_{\text{water}}}{a} = \frac{496}{2000} = 0.248 \]

水中的比值较小,表示角度扩散也较小。

这名学生的推理只集中在频率上。频率的确保持不变,但绕射取决于波长相对于孔径尺寸的大小。由于光在水中的速率改变,波长也会随之改变。

这也提醒我们,波长并不是光波中永远不会改变的性质。当光跨越介面时,频率由光源决定并保持不变,而波速和波长则取决于介质。

问题 5

一个双狭缝装置使用波长为 \(600\ \text{nm}\) 的光。两条狭缝中心之间的距离为

\[ d=0.30\ \text{mm} \]

而每条狭缝起初的宽度为

\[ a=0.060\ \text{mm}. \]

之后,把每条狭缝的宽度减小至 \(0.030\ \text{mm}\),而 \(d\)、波长和屏幕位置都保持不变。

一名学生作出两个预测:

  1. 每一条干涉条纹之间的距离会变大,因为现在每条狭缝的绕射都更强。
  2. 在两条狭缝照亮的较宽区域内,可能会看见更多条干涉条纹。

评估这两个预测。使用双狭缝关系式

\[ d\sin\theta=m\lambda \]

检查狭缝宽度改变前后,一阶干涉极大的位置。

解答 5

第一个预测不正确,但第二个预测正确:缩窄每一条狭缝会使绕射包络变宽,但不会改变双狭缝干涉条纹的角位置。

对一阶干涉极大而言,\(m=1\)。双狭缝关系式为

\[ d\sin\theta=m\lambda \]

其中 \(d\) 是两条狭缝中心之间的距离,\(\theta\) 是干涉极大相对中央方向的角度,\(m\) 是干涉级次,而 \(\lambda\) 是波长。

代入数值,

\[ (0.30\times10^{-3})\sin\theta = (1)(600\times10^{-9}) \]

所以

\[ \sin\theta = \frac{600\times10^{-9}}{0.30\times10^{-3}} = 2.0\times10^{-3} \]

因此

\[ \theta = \sin^{-1}(2.0\times10^{-3}) \approx0.115^\circ \]

当每条狭缝的宽度减半后,\(d\) 和 \(\lambda\) 都没有改变。因此计算完全相同:

\[ \theta\approx0.115^\circ \]

一阶干涉条纹仍然位于相同角度。其他干涉级次也同样保持在原来的角位置。

那么,为什么缩窄每一条狭缝仍然会造成影响?

每一条狭缝本身都会产生绕射。减小 \(a\) 会增加 \(\lambda/a\),所以从每条狭缝射出的光会扩散至更广的角度范围。来自两条狭缝的绕射波因此可以在更广的角度范围内互相重叠。

在这个较宽的区域内,两个波仍会按照两条狭缝的中心距离 \(d\) 产生干涉。这可以令整体绕射包络内可见的干涉条纹数目增加,不过随著狭缝变窄,总透射光强也会减少。

一个很容易犯的错误,是把狭缝宽度 \(a\) 和狭缝间距 \(d\) 当成控制同一种特征的量。

它们负责不同的作用:

  • \(a\),即每条狭缝的宽度,控制宽广的绕射包络。
  • \(d\),即两条狭缝中心之间的距离,控制双狭缝干涉条纹的位置和间距。

这个区别正是关键。绕射增加,并不会自动令干涉条纹的间距变大。

09绕射能帮助你进一步理解什么?

绕射解释了为什么通过狭窄狭缝的光,可以到达简单光线图认为应该保持黑暗的位置。更重要的是,它解释了从相邻狭缝射出的光为什么能够彼此重叠。

一旦这些绕射波互相重叠,叠加原理便会决定它们是互相加强还是互相抵消。这会直接带你进入双狭缝干涉和绕射光栅的内容。

继续学习时,记得把这两个长度尺度分开:每个开口的宽度控制每个波扩散得多广,而开口之间的距离则控制重叠的波如何互相干涉。