菲涅耳的衍射理论和泊松亮斑

最早发现光的衍射现象的人是意大利物理学家格里马弟(FrancescoGrimaldi，1618—1663)。在他逝世后于 1665 年出版的《光、色、虹的物理数学》中，描述了他所作的光的衍射实验。如图 9－5 所示， 他在百叶窗上钻一条狭缝 AB，使阳光从晴朗天空通过该缝进入一个完全封闭的黑暗空间，该光的漫射状如锥形 ACDB，在光中放一不透明的物体 EF。他发现 EF 的影子

图 9—5 图 9—6

MN 比按几何光学计算的应有的大小 IL 要宽一些，在受到强烈照射的 CM、ND 部分，靠近影子边缘的区域，还有几层带颜色的带子，越往外越窄。如图 9—6 所示，第一层最宽的带是 NMO，N 是蓝色条纹，O 是红色条纹，M 无色是最宽、最亮的区域。第二层 QPR，第三层 TSV 仍然是靠近阴影的部分带蓝色，远离影子的部分带红色。他设想光是一种能够作波浪式流动的流体，不同的颜色是波动频率不同的结果。他发现光在物体的边缘发生了微小的弯折，他第一个称这种现象为衍射。他指出：“这种光带显然与孔AB 的大小有关，因为如果孔很大，它们就不见了。”[12]牛顿重复了这些实验，他让光通过两个刀口之间的狭缝，使光线产生了更大的弯曲，牛顿用小孔边缘对微粒的引力来解释这种现象。[4]在菲涅耳发表他的论文以前，衍射效应一直没有得到正确的解释。[3]

1815 年，法国物理学家菲涅耳(A.J.Fresnel，1788—1827)向法国科学院提交了关于光的衍射的第一份研究报告，这时他还不知道托马斯·杨关于干涉和衍射的论文。根据惠更斯的子波假设，菲涅耳以子波相干叠加的思想补充了惠更斯原理，发展成为惠更斯-菲涅耳原理。他认为在各子波的包络面上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有显著的强度，这给予惠更斯原理以明确的物理意义。[2]

1818 年，法国科学院提出了征文竞赛题目：一是利用精确的实验确定光线的衍射效应；二是根据实验，用数学归纳法推求出光通过物体附近时的运动情况。在法国物理学家阿拉果与安培的鼓励和支持下，菲涅耳向科

学院提交了应征论文。这篇论文的主体是由惠更斯的包络面作图法同杨氏干涉原理结合而组成，建立了他的作图形式的衍射理论。他用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹。菲涅耳把自己的理论和对于实验的说明提交给评判委员会。参加这个委员会的有：波动理论的热心支持者阿拉果；微粒论的支持者拉普拉斯、泊松和比奥；持中立态度的盖·吕萨克。菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子论者的反对。在委员会的会议上泊松指出，根据菲涅耳的理论，应当能看到一种非常奇怪的现象：如果在光束的传播路径上，放置一块不透明的圆板，由于光在圆板边缘的衍射，在离圆板一定距离的地方，圆板阴影的中央应当出现一个亮斑，在当时来说，这简直是不可思议的，所以泊松宣称，他已驳倒了波动理论。菲涅耳和阿拉果接受了这个挑战，立即用实验检验了这个理论预言， 非常精彩地证实了这个理论的结论，影子中心的确出现了一个亮斑。这个亮斑后来称之为泊松亮斑。在托马斯·杨的双缝干涉和泊松亮斑的事实的确证下，光的粒子说开始崩溃了。[2]