经典光学的发展

第七讲 经典光学的发展

一、 概述

1 早期的光学 A. 古希腊

托勒密

B.中世纪: 阿勒哈增（965-1038）(阿拉伯人)著《光学》。

2光学仪器的制造

A. 眼镜、透镜和凹、凸面镜

1299年，意大利人阿玛蒂制造了眼镜。 15—16世纪，出现了透镜和凹、凸面镜。

B ．望远镜

1608年,荷兰眼镜制造商利佩希(H Lippershey, 1587-1619)制作了世界上第一架望远镜： 目镜：双凹透镜；物镜：双凸透镜。 1608-1609年，伽利略望远镜：

目镜：双凹透镜；物镜：平凸透镜。 1611年，开普勒望远镜：

目镜：凸透镜；物镜：凸透镜。可看正立的象。 1668年，牛顿反射式望远镜

直径1尺，长6尺，放大30—40倍。 1352年一幅教堂的壁画,大概

是最早描绘人们戴眼镜的

托勒

古希腊欧几里德(Euclid ， 约公元前330-公元前275）

研究光的反射

研究光的折射

托勒密 (C.Ptolemaeus, 约公元100-170)

(a)伽利略望远镜光路图

(b)开普勒望远镜光路图

伽利略望远镜

牛顿反射式望远镜：天文学家赫威利亚斯的望远镜,统长150英尺

1864年傅科的13英寸的望远镜惠更斯的对天望远镜

C. 显微镜

1608年，荷兰眼镜制造师詹森(Zachras,1588-1632) 制作了世界上第一架显微镜。

目镜：双凹透镜；物镜：平凸透镜。

1665年，胡克出版《显微图说》，这是最早的显微镜专著。

胡克显微镜: 目镜：半球形透镜；物镜：平凸透镜。

胡克显微镜马歇尔的显微镜（1715年）1665年英国的物理学家胡克（1635-1703）用显微镜观察软木切片时，发现一种蜂窝状结构，其中有许多空腔（小室），他把这种小室称为细胞。

3几何光学

古代—16世纪，对光的直线传播、反射、折射现象进行了观察和实验。

17—18世纪，是“几何光学”时期。反射定律、折射定律相继建立。

折射定律：托勒密——开普勒——斯涅耳——笛卡尔——费马

4物理光学

17—18世纪，开始光的波动说和微粒说之争。牛顿研究了光的色散问题。

1800—1835年，波动光学的“英雄时期”。光的干涉、衍射、偏振的发现和研究。

二、光的波动说和微粒说

格里马耳迪—胡克—惠更斯—牛顿; T. 杨—菲涅耳—马吕斯—布儒斯特—阿拉戈

1早期的波动说和微粒说

1)波动说

A格里马耳迪(F .M.Grimalda,1618-1663),意大利物理学家。1665年，他人将其生前对光学的研究集成一书，以《发光、颜色和虹彩的物理数学》为题出版。书中描述了他称之为“衍射”的现象，同光的直线传播相悖。格里马耳迪认为，光是一种能够作波状运动的流体。他把不透明物体的阴影周围出现的色带同石头投入水中所形成的水面波相比较，猜测光“流体”是极大速度通过漫射而穿过不透明媒质的。

B胡克在《显微图说》则认为，光是发光微粒的小振幅的快速振动，这些振动类似水波，呈一系列球脉冲快速播散。

C惠更斯是早期的波动说的代表人物。

a. 提出惠更斯原理:“一个波阵面上的每一点都是一个基元子波的中心”;

惠更斯原理示意图惠更斯b．1690年出版《光论》，提出波动说。把光波和声波类比，光波的传播媒质是“以

太”。以太中的每一受激粒子都变成一个球形子波中心，它们本身并不远距离移动，而是振动的传播，是纵波。光速能够彼此交叉，但不发生干涉。这样，根据惠更斯原理成功地解释了反射、折射现象。

c. 早期的波动说存在的问题和遇到的困难。1678年，惠更斯在研究方解石的双折射现象时，发现了偏振现象。由于惠更斯认为光波是纵波，就很难用波动说来解释偏振。另外，没有严格的数学表达方式，是早期波动说的严重缺陷。

2）微粒说

牛顿和笛卡耳早期都企图把波动说和微粒说结合起来解释光的。后来由于两种原因使牛顿放弃波动说，倾向微粒说。其一，很难用波动说来解释偏振；其二，行星运动，从未受到以太的阻碍，使牛顿怀疑以太。牛顿把关于以太问题的讨论，归入《原理》中思辩部分和《光学》的“疑问”之中。

牛顿认为，“光线可看作是微小的物体”，即微粒流。它们“一阵容易反射，一阵容易折射”，“处于这种一阵一阵的猝发状态中”。

由于牛顿的权威和早期的波动说的理论缺陷，

使早期的微粒说在18世纪占统治了地位。

2波动说的复兴

1800-1835年，是波动光学的“英雄时期”。

1）T. 杨的贡献

T. 杨（T Yonng,1773-1829）,英国著名物理学家。托马斯·杨(1773-1829)：两岁认字，四岁能读圣经，9岁掌握微积分，精通十几国语言，23岁获医学学位。面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的勇敢精神说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”1800年,发表《在声和光方面的实验和问题》，指出牛顿光学理论的缺陷，如为何微粒流有的反射，有的折射？1802年，发表《光和色的理论》，建立了自己的假说。他认为：整个宇宙充满以太；光是发光体在以太中激起的波动；光的颜色取决于光的频率。据此，提出了著名的干涉原理：“由两个不同源传来的波动，在方向一致或基本一致时，其结合的效果是各自所属运动方式的结合”。

T. 杨还设计了一个精彩的实验——杨氏双缝干涉实验。

杨氏双缝干涉示意图

“干涉”一词，是T. 杨首先提出的。

T. 杨首先提出波长概念，当时称为“波的宽度”。并第一次测定红光和紫光的波长分别是0.0000256英寸(6500A)和0.000017英寸(4420A)。

双缝干涉实验为波动说提供了证据，对微粒说提出有力的挑战。

1803年，发表《物理光学的实验和计算》，用干涉原理解释衍射现象，但T. 杨认为，衍射是直射光束与边缘反射光束形成的干涉；简述了紫外光的干涉；并作出一个重要结论——光从密媒质反射时，它的波相改变半个波长。

2）菲涅耳的衍射理论

菲涅耳（A J Fresnel,1788-1872）,法国著名科学家，19世纪光波动说集大成者。

A.提出惠更斯—菲涅耳原理

将干涉原理引入惠更斯原理，即波阵面上的各点所发出的子波，经传播在空间一点相遇时，也可发生干涉现象。称为惠更斯—菲涅耳原理。并用此原理解释了衍射，认为衍射是各子波之间形成的干涉。