二光的本质之争

1、二光的本质之争二光的本质之争 微粒说和波动说都能解释一些现象，但又不能解释当时观察到的全部光的现象。由于早期的波动说不能用数学作严格的表达和分析，再由于牛顿在物理学界的威望，微粒学一直占了上风。 到了19世纪初，人们在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波的特征，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性。19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光也是一种电磁波。以后，赫兹在实验中证实了这种假说，这样，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功。第2页，共43页幻灯片。 微粒说和波动说都能解释一些现象，但又不能解 但是，19世纪末又发现了新的现象光电效应，这种

2、现象用波动说无法解释。爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应。不过，这里所说的光子完全 不同于牛顿所说的“微粒”。 现在人们认识到，光既具有波动性，又具有粒子性。第3页，共43页幻灯片。 但是，19世纪末又发现了新的现象光电效应思考题1、光的微粒说与波动说各自的主要论点是什么？2、试述托马斯杨对光学的主要贡献。3、菲涅耳对于光的干涉和衍射的研究有哪些特点？4、对于光的微粒性，爱因斯坦与牛顿的“微粒”有何不同。第4页，共43页幻灯片。思考题1、光的微粒说与波动说各自的主要论点是什么？第4页，共光的本质之争古代对光的认识光的波动说与微粒说的交锋光的波粒二象性第5页，

3、共43页幻灯片。光的本质之争第5页，共43页幻灯片。 从古代起,人们就开始思考光的本性问题.最初的一些假说既幼稚又含混. 亚里士多德认为,光是从眼睛里发射出来的某种东西. 毕达哥拉斯学派则主张,光是由媒质以太以某种方式传播 十七世纪中，主张波动说的主要有笛卡儿、格里马第、惠更斯和胡克等人，主张微粒说的有牛顿，他们对光的波动说和微粒说进行了研究与发展 第6页，共43页幻灯片。 从古代起,人们就开始思考光的本性问题.最初的一些假说 关于光的本质问题，笛卡儿在他方法论的三个附录之一折光学中提出了两种假说一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力虽然笛卡儿更强

4、调媒介对光的影响和作用，但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔 第7页，共43页幻灯片。 关于光的本质问题，笛卡儿在他方法论的三个附录之一 格里马第（1618-1663）最早明确提出光的波动说他令百叶窗透过来一束光照在小棍上，得到较宽的带色彩的影子，他称之为“衍射”由衍射现象格里马第发现光线并不沿着直线传播，他设想，光是一种作波浪状运动的精细流体，这种流体能以极大但有限的速度漫射，通过透明体；衍射现象中的色带就如同一块投入水中所形成的圆形波纹由于是波浪式的流体，影子的边缘就必然是模糊和有影像的；碰到障碍物时，就像水波一样会绕过去第8页，共43页幻灯片。 格里马第（1618-

5、1663 1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础 第9页，共43页幻灯片。 1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本 在1665年出版的显微术一书中，胡克注意到金刚石受到摩擦、打击和加热时在黑暗中会发光的现象，并以此为据认为，“光必定是一种振动”，并且是一种快速的小振幅的振动在谈到光的传播形式时，胡克写道：“在一种均匀媒质中这一运动在各个方向都以相等的速度传播于是发光体的每一脉动和振动都必将形成一个球面，这个球面将不断增大，如

6、同投入水后引起越来越大环状波一样（尽管肯定要快得多）由此可知，在均匀媒质中扰动而成的球面的一切部分都与射线正交”这实际上已提出了波前或波面和媒质各向同性的概念，并指出了光是由发光体的振动在媒质中引起的一系列与射线成直角的球形脉冲的扩散 第10页，共43页幻灯片。 在1665年出版的显微术 惠更斯在光学方面的最大贡献是提出了光的波动说和惠更斯原理 惠更斯认为，光是发光体中微小粒子的振动，在弥漫于宇宙空间的以太中传播的波动过程光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，以太作为一种媒质传输光脉冲，它是以极高和有限的速度传播的他设想传输光的以太粒子应是极硬的和富于弹性的以此，他解释了从无数不同方向来的光线又

7、如何可以互不妨碍地交叉通过的和光的反射定律。第11页，共43页幻灯片。 惠更斯在光学方面的最大贡献 惠更斯从光是波动的传播这一观念出发，提出了著名的以他的名字命名的原理惠更斯原理：“光波发射时，光在其中传播的每一物质粒子不只把运动传给与原始粒子及光源在同一直线上的邻近粒子，而且还应传给所有和它接触并阻碍其运动的一切粒子因此，在每一粒子周围就产生以此粒子为中心的波” 惠更斯还作图说明了这一原理第12页，共43页幻灯片。 惠更斯从光是波动的传播这一观念出发， 从图中可见，由一点产生的光波的传输是以球面波的形式传输的，每个子波也都是下一个球面波的中心，而这些子波的波前的包络面就是点波源的新波前 惠更

8、斯原理的示意图第13页，共43页幻灯片。 从图中可见，由一点产生的光 利用惠更斯原理，惠更斯在解释折射现象时，修正了斯涅尔定律，得出光由空气进入水中时， ，即两个正弦函数之比等于两种介质中的光速之比因为当光由疏媒质进入密媒质时是靠近法线折射的，所以稠密介质中光速小于稀疏介质中的光速这一结论与费马的推导结果一致，但与笛卡儿和牛顿的结果不同第14页，共43页幻灯片。 利用惠更斯原理，惠更斯在解释折射现象时，修两块方解石平行放置时所产生的现象（丹麦人巴塞林那斯在1669年发现）第15页，共43页幻灯片。两块方解石平行放置时所产生的现象第15页，共43页幻灯片。 在解释丹麦人巴塞林那斯（EBartho

9、linus,1625-1698）在1669年发现的方解石双折射现象时，惠更斯认为，光通过以太微粒，同时也通过晶体物质微粒，以太微粒对光波的传输有影响，并形成一个球面波（即寻常光线）；而晶体中规则排列的微粒都是椭球体，它们对光波的传输产生影响，并形成一个椭球面波（即非寻常光线）即寻常光线的波面是通常的球面，而非寻常光线的波面是一个椭球面 第16页，共43页幻灯片。 在解释丹麦人巴塞林那斯（EBarthol 惠更斯又认为，对于非寻常光线来说，光在不同方向上的传播速度不同（即不同方向的折射角不同），所以一束光射入方解石后就会分裂为两部分但是，如果光波连续通过两个方解石时，会产生4条光线；当两个晶体相

10、互平行放置时，在第一块晶体中形成的双光线，在第二块晶体中这些光线并不进一步分开，而是平行地通过第二块晶体；当相互垂直放置时，两个晶体中的寻常光线和非寻常光线会相互交换；适当放置第二块方解石，双折射还会消失，就只有一根射出对此，惠更斯的波动理论是难以解释的第17页，共43页幻灯片。 惠更斯又认为，对于非寻常光线来说，光在 对于影子边缘的色带和薄膜颜色光的衍射和干涉现象，惠更斯也是难以解释的；惠更斯的波动说解释偏振现象时也遇到了困难可见，惠更斯的波动说虽然取得了很大成功，但它是不完善的 首先，惠更斯的波是纵波（不是横波），而且是脉冲波；其次，惠更斯也没有建立起关于波动过程的周期性概念 总之，波动说

11、的困难在于它难以解释光的直线传播这一基本事实；不能解释偏振现象，不能圆满地解释双折射现象；传输光波的以太物质也是值得怀疑的第18页，共43页幻灯片。 对于影子边缘的色带和薄膜颜色光的衍 光的微粒说的代表人物是牛顿在牛顿1740年出版的光学一书中，对光的本性的理论进行了总结，在书中提出的31条疑问中，牛顿也论述了光的波动说，并对光的波动说的困难进行了深入的剖析，但更多是倾向于光的微粒说 牛顿反对波动说的理由，主要有以下三点： 第一，他认为光的波动说不能很好地说明光的直线传播这一基本事实第19页，共43页幻灯片。 光的微粒说的代表人物是牛顿在牛顿17 在“疑问28”中，牛顿写道：“应该观察光在障碍

12、物内的绕射，因为挤压或运动在流体中传播时，如果遇障碍而一部分运动受到阻碍，那么在障碍物外边，传播就不可能沿着直线，而将绕过障碍扩展到其外边平静的媒质中去，水波和声波就是这样绕过障碍物的但是我们从来不知道光会沿着弯曲的道路走，或者会弯到影子里面去”但是牛顿当时没有注意到衍射现象中影子里面的亮条纹 对于光的衍射，牛顿还进一步谈到：“这种弯曲不是向着阴影而是离开它，并且只有在光线通过物体旁边，与它相距很近时才有这种现象一旦光线经过这物体之后，它就笔直前进”第20页，共43页幻灯片。 在“疑问28”中，牛顿写道：“应该观察 第二，光的波动说不能解释光的偏振现象1678年惠更斯发现加上第二块方解石后不能

13、引起光的第二次双折射却引起偏振现象，而他的波动说却不能解释 牛顿注意到了光的波动说在解释双折射现象时所遇到的困难他在疑问28中写道：“因为从一个发光物体传播出去的挤压或运动，通过一种均匀媒质时必须在所有的方向上都一样然而根据那些（在方解石，也称冰洲石上的）实验，光线看来在不同方向上有着不同性质” 换言之，普通光线的性质在垂直于传播方向的一切方向上是相同的，但是由双折射所得到的光线在垂直于传播方向的某些特殊方向上具有不同于其他方向的性质 第21页，共43页幻灯片。 第二，光的波动说不能解释光的偏振现象第21页，共4 牛顿认为，除了现有的研究之外，光还应有一些尚未发现的“固有性质”， “这些属性是

14、原来就存在于光线之中的”由于当时一般都把光波与属于纵波的声波作比较，所以牛顿的结论是：“对我来说，如果光仅仅是在以太中传播的挤压或运动，那么这似乎是解释不通的”第22页，共43页幻灯片。 牛顿认为，除了现有的研究之外，光还应有一些 第三，对光的波动说赖以存在的“以太”的怀疑 在“疑问28”中，牛顿还写道：“对于天空为流体媒质（除非它们非常稀薄）所填满的那种主张，一个最大的反对理由在于行星和彗星在天空中各种轨道上的运动是那样有规则和持久，因此很明显，天空里没有一切可觉察的阻力，所以也没有任何可觉察到的物质而如果把它抛弃，那么光是这样一种介质中传播的挤压或运动的这种假说，也就和它一起抛弃了”第23

15、页，共43页幻灯片。 第三，对光的波动说赖以存在的“以太”的怀疑第23页 虽然牛顿基本上是肯定微粒说的，但是在解释薄膜色彩和“牛顿环”时，他提出了与波动说很相近的“猝发”理论牛顿认为，光微粒在折射面或反射面处将激起物质和媒质的振动，这种振动的传播速度比光线还要快，因而可以赶上和超过光线；每一光线由于受到这种降临到它的每一振动的作用而相继处于一阵容易透射、一阵容易反射的状态“每条光线在它通过任何折射面时都要进入某种短暂的组态或状态，这种组态或状态在光线行进中按相等的间隔复原，并且在每次复原时倾向于使光线容易穿过下一个折射面，而在两次复原之间则容易被它所反射”第24页，共43页幻灯片。 虽然牛顿基

16、本上是肯定微粒说的，但是在解 牛顿将“每一次复原和下一次复原之间光线通过的间隔”称为“猝发间隔”这与“波长”的定义很相似，可见他对光的周期性是有所认识的 光的微粒说和波动说几乎是在同一时代产生的，为什么十九世纪以前光的微粒说一直占据着统治地位，其原因是多方面的，大体可归纳为以下几个方面： 第一，惠更斯的波动说本身的不完善性，而解决微粒说和波动说争论的判决性实验光速的测定，还无法在实验室中进行第25页，共43页幻灯片。 牛顿将“每一次复原和下一次复原之间光 第二，在17、18世纪，经典力学已经建立并取得很大成就这种传统观念也影响着人们容易接受用经典力学的机械论微粒说来解释光的本性 第三，牛顿的威

17、望很高，权威提出的理论易被人们所接受牛顿自己也没有想到，由于他的权威地位，使得接受波动说延误了一个多世纪第26页，共43页幻灯片。 第二，在17、18世纪，经典力学已经建立并 进入1800年，英国医生托马斯杨（Thomas Young, 1773-1829)和法国工程师菲涅耳(Augustin Jcan Fresnel, 1788-1827)、阿拉果的工作，使波动说又重新提出，并取得成功 1800年，托马斯杨在论文声学和光学的大纲和实验中，他认为光与声都是波，提出了反对光的微粒说的新论据：在解释由强光源和弱光源所发出的光粒子有同样的速度方面的困难，以及在解释射线从一种介质进入另一种介质时，一部

18、分不断地被反射，而另一部分不断地发生折射的困难研究了声波的叠加原理，提出了“干涉”的概念 第27页，共43页幻灯片。 进入1800年，英国医生托马斯杨（Thom 1801年，托马斯杨在哲学杂志上发表的论文很完整地阐述了干涉原理，即“当同一束光的两部分从不同路径，精确地或非常接近地沿同一方向进入人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将最强，而在干涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的” 托马斯杨还明确指出：相互叠加的两部分光必须是发自同一光源 为了进一步说明干涉理论，托马斯杨还用紫外线做实验由于紫外线是不可见光，他让紫外线反射在涂有氯化银溶液的纸上，结果出现了黑环，从而

19、证明了他的干涉原理第28页，共43页幻灯片。 1801年，托马斯杨在哲学杂志上发表的 借助干涉原理，托马斯杨解释了“牛顿环”现象，即在透镜与玻璃之间形成一个空气层，光线在空气层的上下表面反射的两束光相互叠加就产生了干涉现象 1802年，托马斯杨在英国皇家学会上讲演时讲述了自己所作的双缝干涉实验他还测定了光波的波长，“比较各次实验，看来空气中极红端的波的宽度约为 英寸，而极紫端则为 英寸”这里的“波的宽度”就是波长，折合成现代的数据，约为 埃（红光）和 埃（紫光）托马斯杨实现了用实验方法测得可见光的波长 第29页，共43页幻灯片。 借助干涉原理，托马斯杨解释了“牛顿环”现象S亮亮亮暗暗S1S2第

20、30页，共43页幻灯片。S亮亮亮暗暗S1S2第30页，共43页幻灯片。 尽管托马斯杨的理论在他的祖国英国受到一些人的猛烈攻击，但却受到一些法国学者和工程师的重视，在19世纪初，他们对光的波动说的研究，大大地推动了光的波动说乃至整个光学的发展 1809年夏的一个傍晚，法国工程师、物理学家马吕斯（Etienne Louis Malus,1775-1812）用方解石（也称冰洲石）晶体观看被玻璃窗反射的太阳光像时，他惊奇地发现，当在某一位置用晶体观察时，太阳的双像之一消失了第31页，共43页幻灯片。 尽管托马斯杨的理论在他的祖国英国受到一 在当天晚上，马吕斯又发现，蜡烛光以36度角落在水面上反射时，用

21、方解石也会看到类似的现象，即只有一个像；在其他的情况下，两个火焰像的明亮程度不同；当转动方解石时，两个火焰像呈现出交替的明暗变化 马吕斯作了的进一步研究发现，如果从方解石出来的两束光同时以36度角落在水面上，寻常光被部分地反射，而非寻常光则完全未被反射，不被反射的光被折射进入水中了，他由此得出了“偏振”的术语他证明，寻常光与非寻常光的“偏振”方位是相互垂直的；折射光只是部分偏振光，其偏振状态与反射光的偏振状态恰成相反分布 第32页，共43页幻灯片。 在当天晚上，马吕斯又发现，蜡烛光以36度角落 1811年，英国科学家布儒斯特（David Brewster, 1781-1868）发现，光线射向两

22、种介质的界面，当反射光线与折射光线恰好垂直时，反射光就成为平面偏振光同年，法国物理学家阿拉果（Dominique Francois Arago,1786-1853）也发现了色偏振现象 对于偏振现象，马吕斯与布儒斯特都坚持用微粒说来解释，并反对用波动说来解释, 而当时托马斯杨也不能解释. 直到1817年，托马斯杨得出了新的观点，光波与声波的不同之处在于，光波是像水那样的横波他写信向阿拉果表达了自己的观点，阿拉果将此信转告菲涅耳第33页，共43页幻灯片。 1811年，英国科学家布儒斯特（David 横波的偏振现象只有横波才有偏振现象.第34页，共43页幻灯片。横波的偏振现象只有横波才有偏振现象.第

23、34页，共43页幻灯片 菲涅耳是工程师，1814年他对光学发生了兴趣，独立做了托马斯杨在10年前所做过的实验，并有所进步. 在阿拉果的鼓励下，菲涅耳加快了他的研究进度，最终为波动说提供了一个坚实的数学基础 1815年，菲涅耳向科学院提交了关于衍射的报告，在这篇报告中，除了衍射的实验外，还提出了惠更斯-菲涅耳原理-“在任何一点的光源振动可以看作在同一时刻传播到那一点上的光的元振动的总和，这些元振动来自所考察的未受阻拦的波的所有部分在它以前位置的任何一点的各个作用” 第35页，共43页幻灯片。 菲涅耳是工程师，1814年他对光学发生了兴趣 菲涅耳采用了惠更斯的子波概念，并使子波具有了频率、振幅和位

24、相的内容，从而使光的衍射理论更加完善 为了说明干涉原理，菲涅耳设计了新的实验-双光干涉实验他使两个平面镜并接起来，交接的角度小于180度两面平面镜对一较小光源反射，便可得到两束相干光，在屏上产生了清晰的干涉条纹由于完全避开衍射作用，使光的干涉得到了充分的肯定第36页，共43页幻灯片。 菲涅耳采用了惠更斯的子波概念，并使子波具有了 在计算衍射花纹时，菲涅耳提出了半波带法，结合惠更斯-菲涅耳原理，可精确地计算出光通过圆边、直边等形状的孔发生的衍射情况利用惠更斯-菲涅耳原理还成功地证明了光是沿直线传播的成功地消除了光的波动说的一大困难，对确立光的波动说具有重要意义 当阿拉果将托马斯杨关于光波是横波的

25、观点转告菲涅耳，菲涅耳很快就以横波观点为基础，推导出光的反射和折射的振幅比公式，即菲涅耳公式，并且与后来根据电动力学理论导出的公式完全一样这一公式的建立也是菲涅耳对光学的重大贡献之一第37页，共43页幻灯片。 在计算衍射花纹时，菲涅耳提出了半波带法，结合惠 新理论最重要的成就是解释了当时惠更斯不能解释的双折射现象 1819年，菲涅耳与阿拉果合作进行了验证光是横波的观点的实验-证明相互垂直的偏振光不相干涉 他们将单色光射向杨氏双缝，其后的两条光路上各放置一个起偏器，观察屏幕上形成的干涉条纹变化情况结果令人信服地证明，光是横波第38页，共43页幻灯片。 新理论最重要的成就是解释了当时惠更斯不能解释 随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出，以太成为了十九世纪的众焦点之一 菲涅耳在研究以太时发现的问题是，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体，它又怎么能不干扰天体的自由运转呢不久以后泊松也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾 第39页，共43页幻灯片。 随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体， 为了解决各种问题，1839年柯西提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质柯西试图以此解决泊松提出的困难