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近代光学发展史 作者：佚名 光学是物理学众多学科中最古老的学科之一。在古代，人们除了认识到光的直线传播、 反射定律和不完全的折射定律外，对光学知识再没有什么深入的认识。近代光学史是从十七 世纪初开普勒的光学研究开始的，以望远镜和显微镜的发明为转折而发展起来。 一、折射定律的确立 1609 年的望远镜的发明激励开普勒从事光学研究，并为这种仪器提供解释。他在 1611 年出版的著作《屈光学》中，发表了对折射光学的研究成果。 开普勒对入射角和相应的折射角做了许多次的测量，想在实验中发现入射角和相应的折 射角之间有规律的关系，结果未能成功。但他认识到，对于小于30 °的入射角，入射角和相 应的折射角成近似固定的比（光线从空气到玻璃时的固定比为3/2 ）；对于大的入射角，这个 近似关系不再成立。这样，开普勒把托勒密对折射规律的研究推进了一步。开普勒还发现， 当光线由玻璃向空气中入射时，若入射角超过42 °时，会发生全反射现象。 利用这个折射的近似规律，开普勒给出了透镜和透镜系统成像的近似理论，对望远镜的 工作原理最先作出了正确的解释，并设计出几种新型望远镜。 正确的折射定律是由荷兰科学家斯涅耳（W. R. Snell ，1591-1626）在1621 年发现的。根 据惠更斯的叙述，斯涅耳把折射定律表述如下：在下同的介质里入射角和折射角的余割之比 总是保持相同的值。由于余割和正弦成反比，斯涅耳的表述等价于现代的表述。但是斯涅耳 没有公布他的这一发现。 折射定律的现代的表述是笛卡儿1637 年在他的《屈光学》一书中给出的，他没有提到斯 涅耳，可能是他独立发现的。笛卡儿没有做实验，他是从以下的假定推导出这个定律：（1） 光速在较密的介质中较大（现在知道，这是错误的）；（2 ）在相同的介质里这些速度对于各种 入射角都有相同的比率；（3 ）在折射时，平行于折射面的速度分量保持不变（现在知道，这 是错误的）。 数学家费玛不同意笛卡儿关于光速在光密介质中较大的假定，并从下述假定推导出光的 反射定律和折射定律，即光以最短的时间从一种介质的某一点传播到另一种介质的某一点， 而且在较密的介质中光速较小。1744 年，莫泊丢从“最小作用原理”出发，假定光速与折射 率成比例，也导出了折射定律。综上所述，到17 世纪中叶，几何光学的基础已经奠定。 二、光的微粒说和波动说的提出 近代微粒说是笛卡儿首先提出的，他认为光是由大量微小的弹性粒子组成的，光的折射 和反射是由其粒子所遵循的力学定律所决定的。光的波动说最初是由意大利人格里马耳(F. M. Grimaldi，1618-1663）提出的。在他死后不久（1665 年）出版的著作《发光、颜色和虹彩的 物理数学》中，他叙述了衍射现象的发现，并提出光是一种作波状运动的流体的猜测。胡克 在1665 年认为，光是发光体微粒的小振幅的快速振动，这些振动呈一系列球脉冲播散。 1672 年，牛顿向皇家学会提交了《关于光和色的新理论》的一封信，描述了他早在1666 年就开始进行的一系列色散实验。通过实验，他完成了把白光分解为单色光，又由这些单色 光组合而成白光的这一完整的科学认识过程。他下结论说：“光本身是一种折射率不同的光线 的复合混合物”。他进一步假设：“如果假定光线是发光物质向四面八方发出的微小物体，那 么当这些微小物体碰撞任何折射或反射面时，一定象石子抛入水中情形一样，也必然在以太 中激发出振动。”并且“按照这些振动的大小和混合情况而产生不同的颜色感觉。”因此，牛 顿最初是企图把微粒说和波动说结合起来解释光和色的。在1704 年出版的《光学》一书中， 他为了解释包括牛顿环在内的薄膜干涉现象，又提出了“阵发（fit ）理论，仍企图把微粒说 和波动说结合起来解释光的干涉。 在1678 年提交的论文和1689 年出版的著作《光论》中，惠更斯发表了最早、最重要的 波动理论。他把光看作是在媒质中传播的波，与声波类似，但光通过的媒质不是空气，而是 一种由坚硬的弹性微粒组成的“以太”。以太中的每一受激微粒都变成一个球形子波中心，同 时向四面八方传播脉冲；光束在传播过程中相互交叉时互不妨碍。根据这一所谓惠更斯原理， 惠更斯成功地解释了光的折射和反射。但对于经过冰洲石双折射后得到的偏振光，惠更斯由 于坚持光波象声波一样是纵波的观点，因而无法解释。 由于惠更斯的波动理论无法解释双折射现象，加之缺乏数学的严密性，牛顿后期越来越