光的本性的研究历程

波动说的复兴
• 1800年英国的托马斯.杨发表了《在声和光方面的 实验和问题》的论文,认为光与声都是波,光是在以 太介质中传播的纵振动,不同颜色的光与不同颇率 的声音相类似,他在分析水波灼迭加现象之后提出 了“干涉”概念； • 1801年在皇家学会上宣读了关于薄膜颇色的论文, 进一步扩充和发展了惠更斯的波动说,明确提出了 光具有颇率和波长,完善了光波概念；并解释了牛 顿环现象。他做了独创的双孔千涉实验；并总结 出干涉原理。
光电效应以及康 普顿效应等无可 辩驳的证实了光 是一种粒子．
爱因斯坦
康普顿
• 1960年梅曼首先成功地研制出红宝石激光器 后,现代光学得到了突飞猛进的发展,全息摄 影、光纤通讯等新技术的出现以及傅里叶光 学、集成光学等新学科的形成为人类展现了 现代光学广阔的发展前景,光学同其他学科 和技术领域的广泛结合和相互渗透已成为现 代物理和现代科学技术的前沿阵地之一。
• 第一,在17、18世纪中经典力学已形成了完善的科 学体系,它在解释自然现象和指导生产实践中取得 了显著成效,人们容易接受。 • 第二,波动说还比较粗糙,理论上不够完善。如惠更 斯没有提出波的周期概念,并认为光波是纵波。而 且,波动说只限于用来解释光的几何性质,没能用来 解释当时已经发现的物理光学现象。 • 第三,牛顿的威望高,权威们的思想观点容易被人们 所接受。 • 第四,当时的物理实验水平不高,不能很好地测定光 速,这就不能就微拉说与波动说争论的焦点——一 光介质与光疏介质中光速的大小间题作出裁决。 这些在客观上对微粒说有利。
Empedocles (~495-435BC)
凹面镜聚焦太 阳光的记载
Democritus (460-370BC)
视觉的解释
Aristophanes (?450-?388BC)
光速是有限 的
色彩的解释
Aristotle (384-322BC)
中国:墨翟(公元前468～376年)
墨经共5000余字，其中有8条关于几何光学的记述，系统且完整。
早期微粒说与波动说的争论和评述
• 1672年牛顿在《光与颜色的新理论》一文中 认为,波动说有三个要害间题解决不了。一是 波动说不能很好地解释光的直线传播这一最 基本的事实；二是波动说不能解释偏振现象, 三是波动说赖以存在的以太质值得怀疑。 微粒说与波动说在解释几何光学现象方 面都有一定成效,处于同等地位。但微粒说在 与波动说争论的第一回合中取得了优势,其主 要原因是：
• 1803年杨用干涉原理解释了衍射现象,认为 衍射条纹是直接通过衍射缝的光和边界波 之间的干涉所产生的,他还用光从较密介质 反射时的半波损失补充了薄膜颜色理论。 • 1815年法国工程师菲涅耳向科学院提交了 对于光的衍射报告, 他以光波干涉的思想补 充了惠更斯原理,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,进而明确了惠更斯原理的物理意 义
折射定律
•Ptolemy (100 AD)
•Thomas Harriet (1602)
争论： • Willebrord Snell (1621)
• Descartes (1637)
Willebrord Snell (1580-1626) 1621年提出折射定律 (即Snell定律)
• 1819年他们又做了验证光是横波的实验,并 说明了两个振动面互相垂直的振动不能实 现干涉。 • 1822年夫琅和费又创立了衍射理论的数学 方法,对光的波动理论的发展做出了新贡献。 • 1835年德国学者施维尔德发表了重要的总 结性文章《从波动理论的基本定理出发阐 明衍射现象》,这标志着光波动理论的发展 进入了全盛时期。
从量子光学到蓬勃发展的现代光 学——光的波粒二象性的提出
• 1905年3月爱因斯坦针对光电效应现象在普朗克量子 假设的基础上提出了光量子假说,在《关于光的产生 和转化的一个启发性观点》一文中认为,电磁辐射不 仅在发射和吸收时是以能量形式出现, 而且还以微粒 的形式在空间以光速传播。 • 1914年密立根用实验检验了假说的正确性和普朗克 常数h的精确值。由此,光的波粒二象性使人类对光本 质的认识又大大向前迈进了一步。
波动光学
Arago (1786-1853)
提出衍射 的波动理 论 偏振的 Malus定 律；冰wk.baidu.com 石晶体的 双折射现 象
Brewster (1781-1868)
设计并完成了 杨氏双缝干涉 实验，揭示了 光的波动本性
Fresnel (1788-1827)
测量并对比空 气中和水中的 光速(实验进 行时他已失明， 实验由Fizeau 和Foucalt 最 终完成)
参考文献
• 1、弗· 卡约里 . 《物理学史》 . 内蒙古人 民出版社 . 1981 • 2、乔治· 伽莫夫 . 《物理学发展史》 . 商 务印书馆 . 1981 • 3、盛· 弗·马吉 . 《物理学原若选读》 . 商 务印书馆 . 1986 • 4、谭树杰, 王华 . 《物理学上的重大实 验》 . 科学技术文献出版社 . 1987
关键词
光本质 波动说 粒子说 波粒二象性
引 言
• 人类很早就开始了对光的观察和研究，逐 渐积累了丰富的知识，使光学成为了物理 学中发展最早的分支之一。从17 世纪开始 至20 世纪初，“微粒说”与“波动说”两 大理论，展开了激烈的争论，最终以光的 波粒二象性而告终。正是这场争论，推动 了科学的发展，并导致了20世纪物理学的 重大成就———量子力学的诞生。
研究课题
光的本性的研究历程
内容摘要
• 本文主要探究在光学发展史上对光的本质 研究所分为几个阶段，在每个阶段中分别 建立的学说，每个学说的代表人物及其在 研究过程中的主要事迹。
论文结构及主要内容
• • • • • • • 引言 微粒说和波动说的提出 早期微粒说与波动说的争论和评述 波动说的复兴 光的机械波动论与光的电磁波理论 从量子光学到蓬勃发展的现代光学 结论
进一步发展
实验验证 Maxwell 的预言； 发现光电 效应
Fraunhofer (1787 - 1826)
提出量子 论
发现太阳光谱 中的暗线 (Fraunhofer线)
H. Hertz (1847 - 1894)
Planck (1858-1947)
结 论
• 综上所述，人类对光本质的认识还有 待深入和拓展。人类对光本质的研究 还告诉我们：科学的发展是一个艰难 而曲折的过程、是一个积累和斗争的 过程，它迫使我们去创造新的观念和 新的理论。科学的发展离不开探索， 离不开百家争鸣的大环境，离不开不 迷信权威和敢于向权威提出挑战的求 实精神和批判精神。
偏振的 Brewster定律
Malus (1775-1812)
光的机械波动论的困难、光的电磁波理论的建立
• 1864年英国物理学家麦克斯韦在《电磁场的动力理 论》得出这样一个推论：光是存在于媒质中的横波； 光波是媒质中传播的波长较短的电磁波。” •1888年赫兹在实验室产生了电磁波,并 测出电磁波在空气中的传播速度等于光 在空气中传播的速度,验证了电磁波在反 射中符合光的反射定律,他还做了电磁波 的聚焦、干涉、衍射、偏振等项实验,雄 辩地证明了麦克斯韦电磁场理论的正确 性,即证明了光的电磁波动理论的正确性。