泊松亮斑

当单色光照射在一定尺寸的小圆板或圆珠时，会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑，这个亮斑就被称为泊松亮斑。这个亮斑的出现是对光的波动性的一个很好的证明。

有趣的是，虽然这个现象是由最早计算得到它的法国物理学家西莫恩·泊松命名，但泊松却是企图利用“中心点的光穿过障碍物到达光屏”这个与常识相违背的结论来推翻光的波动说。

除光外，在其他物质流的衍射现象中也能发现泊松亮斑的存在。

1814年，菲涅耳开始致力于光的本性的研究，他再度重现了托马斯·杨于1801年建立的光的双缝干涉实验，并用惠更斯原理对这一现象作出完美的解释。与此同时，他开始研究小孔衍射问题。

1817年，法兰西学术院举行了一次关于光的本性问题的科研成果最佳论文竞赛，菲涅耳加紧了研究工作；他在他弟弟的帮助下，成功地提出了惠更斯－菲涅耳原理（后人的称呼），他用这一原理出色地解释了光的直线传播规律，提出了光的衍射理论的子波解释，并于1818年提交了论文。科学院成立了一个评委会，评委会的成员中有波动的支持者弗朗索瓦·阿拉戈（1786—1853），有波动说的反对者泊松（1781—1840）、让-巴蒂斯特·毕奥（1774—1862）、皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（1749—1827），有一中立者路易斯·盖-吕萨克（1778—1850）。尽管不少成员不相信菲涅耳的观念，但是最终还是被菲涅耳数学上的巨大成功及其与实验上的一致性所征服，并授予他优胜奖。

泊松想推翻菲涅耳的观点，就借助于波动理论对衍射理论进行详细地分析。他发现：用一个圆片作为遮挡物时。光屏的中心应出现一个亮点（或者用圆孔做实验时，应该在光屏的中心出一个暗斑），这是令人难以相信的事实，过去也未曾有人见到过。菲涅耳又经过严密的数学计算发现，只有当这个圆片的半径很小时，这个亮点才比较明显（或圆孔很小时，暗斑明显）。事后，菲涅耳和阿拉戈精心设计了一个实验，确认了这一亮斑的存在，证明了这一预言的正确性。

这个初看起来似乎是荒谬的结论，是泊松研究菲涅耳论文时把它当作谬误提出来的，但却成了支持波动说的强有力的证据。后来人们为了纪念这一极具戏剧性事实，就把衍射光斑中央出现的亮斑（或暗斑）称为“泊松光斑”。

高中物理教学中，在讲到光的衍射时，为使泊松亮斑实验演示更简易直观、材料易得，发现用直径为6mm的小钢珠和壹圆的硬币作为圆屏，效果十分理想，下文以小钢珠为主进行研究。

一、演示实验在室外进行

选择适当大小的小钢珠，将它与屏幕放在激光束的适当位置，可以使衍射图样获得足够高的亮度和足够大的尺寸。演示可以在教室走廊里进行，为使衍射图样清晰度高，在阳光照射不到时或晚上进行最好。

1．取直径为6mm的小钢珠为研究对象，激光器距小钢珠约4m，屏幕则是距小钢珠20m远的白色光滑墙壁。

 取一个显微镜配备的盖玻片（1．8cm×1．8cm，厚度为0．18mm），用302胶水将钢珠粘在盖玻片中心位置，再将盖玻片粘在一条形金属片上，如图1所示。待凝固后，将金属片用夹持物夹住，固定在光路中，并使光束沿着盖玻片平面的法线直接照射到小钢珠上。

在屏幕上，我们可看到如图2所示的衍射图样（实际上是笔者将纸铺在屏幕上衍射图样处，抓住主要细节临摹的示意图，黑线条代表亮条纹，颜色深浅表示亮条纹的强弱），该图样直径大于10cm，效果非常理想。

 实验还发现，激光束与盖玻片平面法线所成的角不是太大时，或者用厚度大的载波片（7．5cm×5cm，厚度1mm）代替盖玻片时，或者将盖玻片翻过来，让激光先通过盖玻片然后再照到钢珠上时，衍射图样觉察不出有明显变化。

 这种小钢珠，不仅大小适中，而且在自行车维修铺，废弃的这种钢珠俯后皆是。

 由于盖玻片有效面积稍小，下面的研究，在无特殊说明时，都是用载波片来装载小钢珠的。

 2．换直径大于6mm的钢珠来实验，可发现，随着直径的增加，几何阴影区的亮圆环趋于更细、更暗，直至消失，而阴影区的中心始终有亮斑，甚至用强磁铁吸住一小铁钉，将壹元的硬币吸附于钉子下端来实验（载波片有效面积有限，而要使光衍射，须使光射到障碍物边缘，由于光束传播中逐渐变粗，故采用此法，且硬币须向屏幕靠近），也能在阴影中心看到一个较暗的光斑，尽管此时其余的阴影区已完全变暗了，阴影外侧的明暗圆环也已不够明显了。

 这类尺寸的钢珠，装载不太方便。

 需要说明的是，用壹圆的硬币演示，实验效果会让学生惊叹不已。

 3．若取直径小于6mm的钢珠实验，几何阴影区明暗环更粗、更亮，效果亦佳。只是钢珠太小，不直观。

 二、实验在室内进行

 上述各项实验之所以要求长距离，是受光束太细这一因素制约造成的。要在室内进行，需要扩束。

 最简单的办法是用凹透镜来扩束。如图3。

这里仍用直径为6mm的小钢珠，衍射图样可呈现在教室后面墙壁上。透镜位置要适当，不能使墙上的光斑过大，以避免光斑亮度过低。它和载波片（其上载有小钢珠，可用胶粘在光学实验中专用金属杆上）可置于光距座上。笔者用焦距为8cm的凹透镜置于激光器输出口处，让光沿主光轴通过，小钢珠距透镜0．9m，距教室后墙壁约10m。若不放透镜和钢珠，墙壁上的光斑直径约为3cm，用透镜不放钢珠时，约为8cm，放上透镜和钢珠后，衍射图样直径约12cm。

用小钢珠作为圆屏，实验效果是很理想的。直径为6mm的小钢珠，可为实验材料之首选。至于硬币的使用不再赘述。^[2]