光学历史.docVIP

在1704年出版的《光学》一书中，牛顿认为光是从发光体发出的而且以一定速度向空间直线传播的微粒。这种看法被称为微粒说。牛顿用弹性小球撞击平面时发生反弹现象的类比，来解释光的反射现象，当光从空气进入透明介质时，由于介质对光微粒的吸引，使它们的速度发生变化，即造成光的折射。按这种解释，应该假设介质中的光速大于真空中的光速。当时，人们不能用实验方法测出光速，又因牛顿的威望，这种学说在18世纪取得了统治地位;荷兰物理学家惠更斯在1678年写成的《光论》一书中，从光与声的某些相似性出发，认为光是在以太介质中传播的球面纵波。以太是一种假想的弹性介质，充满整个宇宙空间，这就是惠更斯的波动说。这种学说认为光是某种振动，以波的形式在以太介质中的传播。按此学说解释光的折射时要假设介质中的光速小于真空中的光速。惠更斯成功地推导出了光的反射和折射定律。但是，以太这种连续弹性介质，难以想象，给波动说本身造成了不可克服的困难. 直到19世纪初，人们发现了光的干涉、衍射，从而波动说得到很大发展。19世纪未，又发现了波动说不能解释的新现象--光电效应，证实了光的确又具有粒子性。人们终于认识到了光的本性--光具有波粒二象性。 光学现象是与人类的生产和日常生活密切相关的．人类在对光学现象、规律的研究的同时，也开始了对光本性的探究． 到了17世纪，人类对光的本性的认识逐渐形成了两种学说． 一 光的微粒说 一般，人们都认为牛顿是微粒说的代表，牛顿于1675年曾提出：“光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出来”．用这样的观点，解释光的直进性、影的形成等现象是十分方便的． 在解释光的反射和折射现象时，同样十分简便．当光射到两种介质的界面时，要发生反射和折射．在解释反射现象时，只要假设光的微粒在与介质作用时，其相互作用，使微粒的速度的竖直分量方向变化，但大小不变；水平分量的大小和方向均不发生变化 因为在这一方向上没有相互作用 ，就可以准确地得出光在反射时，反射角等于入射角这一与实验事实吻合的结论． 说到折射，笛卡儿曾用类似的假设，成功地得出了入射角正弦与折射角正弦之比为一常数的结论．但当光从光疏介质射向光密介质时，发生的是近法线折射，即入射角大，折射角小．这时，必须假设光在光密介质的传播速度较光在光疏介质中的传播速度大才行． 一束光入射到两种介质界面时，既有反射，又有折射．何种情况发生反射，何种情况下又发生折射呢？微粒说在解释这一点时遇到了很大的困难．为此，牛顿提出了著名的“猝发理论”．他提出：“每一条光线在通过任何折射面时，便处于某种为时短暂的过渡性结构和状态之中．在光线的前进过程中，这种状态每隔相等的间隔 等时或等距 内就复发一次，并使光线在它每一次复发时，容易透过下一个折射面，而在它 相继 两次复发之间容易被这个面所反射”，“我将把任何一条光线返回到倾向于反射 的状态 称它为‘容易反射的猝发’，而把它返回到倾向于透射 的状态 称它为‘容易透射的猝发’，并且把每一次返回和下一次返回之间所经过的距离称它为‘猝发的间隔’”．如果说“猝发理论”还能解释反射和折射的话，那么，以微粒说解释两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一常见的现象，微粒说则完全无能为力了． 二 光的波动说 关于光的本性，当时还存在另一种观点，即光的波动说．认为光是某种振动，以波的形式向四周围传播．其代表人物是荷兰物理学家惠更斯．他认为，光是由发光体的微小粒子的振动在弥漫于一切地方的“以太”介质中传播过程，而不是像微粒说所设想的像子弹和箭那样的运动．他指出：“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，以及光线从不同的地点甚至是完全相反的地方发出时，光射线在传播中一条光线穿过另一条光线而相互毫不影响，就能完全明白这一点：当我们看到发光的物体时，决不可能是由于从它所发生的物质，像穿过空气的子弹和箭一样，通过物质迁移所引起的”．他把光比作在水面上投入石块时产生的同心圆状波纹．发光体中的每一个微粒把振动，通过“以太”这种介质向周围传播，发出一组组同心的球面波．波面上的每一点，又可以此点为中心，再向外传播子波．当然，这样的观点解释同时发生反射和折射，比微粒说的“猝发理论”方便得多，以水波为例，水波在传播时，反射与折射可以同时发生．一列水波在与另一列水波相遇时，可以毫无影响的相互通过． 惠更斯用波动说还解释了光的反射和折射．但他在解释光自光疏介质射向光密介质的近法线折射时，需假设光在光密介质中的传播速度较小．现代光速的测定表明，波动说在解释折射时依据的假设是正确的：光在光密介质中传播时光速较小．但在17世纪时，光速的测量尚在起步阶段，谁是谁非，没有定论． 当然，光的波动说在解释光的直进性和何以能在传播时，会在不透明物体后留下清晰的影子等问题也遇到困难． 可见，光