25.楊氏雙縫干涉實驗
實驗室中,,周晨從雜物堆中取出新購置的漆黑色的厚重幕布,,遮住了所有窗戶。
幕布的遮蔽效果相當(dāng)不錯,,當(dāng)最后一片幕布掛上時,,實驗室中頓時變得一片黑暗,,伸手不見五指。
嗯,,訂制幕布的這家店還是蠻靠譜的?。?p> 周晨環(huán)顧四周,,確認了外界光源不會產(chǎn)生任何影響,,按下了控制燈的開關(guān)。
林雪思蹙眉不解,,問道:“周晨,,你這是要做什么實驗,為什么搞得這么神秘,?”
“沒什么神秘的,,只是其中一個實驗需要消除外界光源的影響?!敝艹客屏送蒲坨R,,“這就是一個很簡單的雙縫干涉實驗,只是采用了新的設(shè)備,?!?p> “雙縫干涉實驗?那是什么,?”
周晨微微一愣,,道:“如果我沒記錯的話,高中物理課似乎講過吧,?這是光學(xué)一個很著名的實驗,。”
林雪思眨眨眼,,回憶道:“但是,,我們……似乎真的沒有學(xué)過誒?!?p> “……”
“我記得講物理課的時候,,你經(jīng)常曠課,會不會是你記錯了呢,?”
周晨扶額道:“好吧,,可能是我記岔了?!?p> 這就不太好辦了啊,,林雪思竟然沒有光學(xué)基礎(chǔ),難不成我還要給她科普一下,?
算了算了,,下午時間長的很,,我就勉為其難地幫你科普一下這些基本知識吧!
“首先,,你知道光的波粒二象性吧,?”周晨開始了他的講解。
“先說波和粒,。如果你手中有一把槍,,然后對著這面墻來了一槍,子彈會打在一個點上,。這顆子彈,,可以看成是一個粒子。
“現(xiàn)在,,如果我站在這個房間外大喊一聲,,你站在任何一個位置都能聽到,這是波,?!?p> “在直覺上,這兩個東西似乎毫無關(guān)系,。但是,,在微觀領(lǐng)域的光子,它既是粒子,,也是波,,這就是光的波粒二象性?!?p> “這個我知道,,班主任講過愛因斯坦的光電效應(yīng),,并且因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎,。”
周晨點點頭,,繼續(xù)說道:“光到底是粒子還是波,,這個問題爭論了很久。得到這個結(jié)論時,,當(dāng)時的人怎樣都無法理解,,一個東西,它怎么可能是波的同時也是微粒,?”
“當(dāng)然,,現(xiàn)在的人由于基礎(chǔ)教育比較好,可以輕松地理解當(dāng)時的人絞盡腦汁也想不明白的問題,?!?p> “之后,,在光表現(xiàn)出波粒二象性之后,科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了電子的波粒二象性,,而后德布羅意提出了大膽的假設(shè),,認為所有的物質(zhì)都具有波粒二象性,總結(jié)出了公式:E=mc2=hμ,,p=mv=h/λ,,其中E為能量,c為光速,,h為普朗克常數(shù),,μ為頻率,p為動量,,m為質(zhì)量,,v為速度,λ為波長,?!?p> “p=h/λ這個公式很好的解釋了為什么宏觀物體表現(xiàn)不出波動性。因為動量p是物體的質(zhì)量與速度的乘積,,普朗克常數(shù)又是固定的,,因此質(zhì)量越大的物體波長越小,宏觀的物體表現(xiàn)不出波動性,?!?p> 林雪思歪歪頭,道:“我明白了,,但這與你剛剛說的雙縫干涉實驗有什么關(guān)系,?”
咳咳,似乎的確扯得有點遠了……
“當(dāng)然有關(guān)系,,等一下你就知道了,。”周晨面不改色,,從桌面上拿起一個塑料薄板,,展示給面露疑惑的林雪思,“接下來,,我們先做一下楊氏雙縫干涉實驗,。仔細看,這個薄板有兩條縫,?!?p> 林雪思瞪大雙眼,貼近了觀察,,才看到薄板上確實兩條相距不遠的極細的縫,。如果不仔細觀察,,根本注意不到。
“我看到了,?!?p> “很好?!敝艹繚M意的點點頭,,將薄板立于桌面上,在薄板一側(cè)放上了一根發(fā)射紅光的激光筆,,另一側(cè)放上了接收的光屏,。
他指指光屏,道:“現(xiàn)在,,你看到了什么,?”
“這是……”
光屏上出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。
最中間的是一條最亮的明紋,,它兩邊是兩條暗紋,。中間的明紋兩邊依次是了次亮的明紋,暗紋,,次次亮的明紋……直到一片模糊,。
“這是為什么呢?”
“這束激光,?!敝艹恐钢副“遄筮叺募す夤庠矗八ㄟ^了薄板上的兩個縫隙,,通過薄板之后可以看成兩個完全相同的光源,。然后,這兩束光的波峰波谷相互疊加,,出現(xiàn)了明暗條紋典型的波特性,。”
周晨看林雪思一臉茫然,,解釋道:“想象一下,,你現(xiàn)在用一把加特林對著一堵厚墻上的兩條縫掃射,,后面再放一堵墻,。如果我走到后面那堵墻旁邊觀察,我會發(fā)現(xiàn),,只有在槍口和兩條縫連線的延長線上的墻面才有彈孔,。彈孔是會聚集在兩個地方的,這是典型的粒子性,?!?p> “而光子不一樣,,它同時也是波,有波峰與波谷,,這兩束光的波峰相互疊加或波谷相互疊加,,就形成了明亮條紋;如果這兩束光的波峰與波谷相互疊加,,光就被抵消,,就形成了暗條紋?!?p> “原來是這樣……物理學(xué)原來這么神奇,!”
周晨笑道:“先別著急感慨,我們的實驗才做了五分之一,?!?p> 林雪思詫異道:“啊,?還有后續(xù)的實驗嗎,?”
“當(dāng)然?!敝艹侩S手把激光筆扔進了雜物堆,,換上了一個深黑色的匣子,“現(xiàn)在,,我們換用電子來做這個實驗,。這個匣子,是電子的發(fā)射源,?!?p> 周晨打開匣子的開關(guān),發(fā)射器開始正常工作發(fā)射電子,。
另一邊的光屏上,,同樣顯示出了明暗相間的干涉條紋,除了顏色不同,,幾乎與剛才的圖像一模一樣,。
“這就是我剛剛說的物質(zhì)的波動性。電子的質(zhì)量極小,,為一點六乘十的負十九次方,,波動性顯著,因此,,用電子做實驗,,同樣表現(xiàn)出了同樣的圖案。”
林雪思鼓掌道:“好厲害,!”
周晨擺擺手,,道:“這有什么厲害的,真正的重頭戲還沒開始呢,?!?p> 他撥動匣子上的幾個開關(guān),并將薄板右側(cè)的光屏換成一個特殊的顯示器,,解釋道:“我調(diào)整了電子的發(fā)射頻率,,現(xiàn)在這個發(fā)射器每次只能發(fā)射一個電子。為了觀察到圖像,,我把顯示屏也換了,。由于單獨的電子成像毫無意義,現(xiàn)在的顯示的是這些獨立的電子累加之后的圖像,?!?p> “單獨發(fā)射電子需要一定時間,大約十分鐘左右,。我要取飲料去,,你想喝點什么?”