二光的本質(zhì)之爭(zhēng)

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1、第二十章光的波動(dòng)性（高中第三冊(cè)P.23）光到底是什么？這個(gè)問(wèn)題早就引起了人們的注意，不過(guò)在很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)對(duì)它的認(rèn)識(shí)卻進(jìn)展得很慢，直到17世紀(jì)才明確地形成了兩種學(xué)說(shuō)：一種是牛頓主張的微粒說(shuō)，認(rèn)為光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻的介質(zhì)中以一定的速度傳播；另一種是波動(dòng)說(shuō)，是跟牛頓同時(shí)代的荷蘭物理學(xué)家惠更斯（1629-1695）提出的，認(rèn)為光是在空間中傳播的某種波。微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)都能解釋一些淘現(xiàn)象，但又不能解釋當(dāng)時(shí)觀察到的全部光的現(xiàn)象。由于早期的波動(dòng)說(shuō)不能用數(shù)學(xué)作嚴(yán)格的表達(dá)和分析，再另上牛頓在物理學(xué)界的威望，微粒學(xué)一直占了上風(fēng)。到了19世紀(jì)初

2、，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀察到了光的十涉和衍射現(xiàn)象，這是波的特征，不能用微粒說(shuō)解釋，因而證明了波動(dòng)說(shuō)的正確性。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并認(rèn)為光也是一種電磁波。以后，赫茲在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了這種假說(shuō)，這樣，光的電磁說(shuō)使光的波動(dòng)理論發(fā)展到相當(dāng)完美的地步，取得了巨大的成功。但是，19世紀(jì)末又發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象——光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象用波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋。愛(ài)因斯坦于20世紀(jì)初提出了光子說(shuō)，認(rèn)為光具有粒子性，從而解釋了光電效應(yīng)。不過(guò)，這里所說(shuō)的光子完全不同于牛頓所說(shuō)的“微?！薄，F(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到，光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性。思考題1、光的微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)

3、各自的主要論點(diǎn)是什么？2、試述托馬斯·楊對(duì)光學(xué)的主要貢獻(xiàn)。3、菲涅耳對(duì)于干涉和衍射的研究有哪些特點(diǎn)？4、對(duì)于光的微粒性，愛(ài)因斯坦與牛頓的“微?！庇泻尾煌?。光的本質(zhì)之爭(zhēng)古代對(duì)光的認(rèn)識(shí)光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的交鋒光的波粒二象性從古代起,人們就開(kāi)始思考光的本性問(wèn)題.最初的一些假說(shuō)既幼稚又含混.亞里士多德認(rèn)為,光是從眼睛里發(fā)射出來(lái)的某種東西.畢達(dá)哥拉斯學(xué)派則主張,光是由媒質(zhì)以太以某種方式傳播．十七世紀(jì)中，主張波動(dòng)說(shuō)的主要有笛卡兒、格里馬第、惠更斯和胡克等人，主張微粒說(shuō)的有牛頓，他們對(duì)光的波動(dòng)說(shuō)和微粒說(shuō)進(jìn)行了研究與發(fā)展．關(guān)于光的本質(zhì)問(wèn)題，笛卡兒在他《

4、方法論》的三個(gè)附錄之一《折光學(xué)》中提出了兩種假說(shuō)．一種假說(shuō)認(rèn)為，光是類似于微粒的一種物質(zhì)；另一種假說(shuō)認(rèn)為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力．雖然笛卡兒更強(qiáng)調(diào)媒介對(duì)光的影響和作用，但他的這兩種假說(shuō)已經(jīng)為后來(lái)的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論埋下了伏筆．格里馬第（FrancescoMariaGrimaldi,1618-1663）最早明確提出光的波動(dòng)說(shuō)．他令百葉窗透過(guò)來(lái)一束光照在小棍上，得到較寬的帶色彩的影子，他稱之為“衍射”．由衍射現(xiàn)象格里馬第發(fā)現(xiàn)光線并不沿著直線傳播，他設(shè)想，光是一種作波浪狀運(yùn)動(dòng)的精細(xì)流體，這種流體能以極大但有限的速度漫射，通過(guò)透明體；衍

5、射現(xiàn)象中的色帶就如同一塊投入水中所形成的圓形波紋．由于是波浪式的流體，影子的邊緣就必然是模糊和有影像的；碰到障礙物時(shí)，就像水波一樣會(huì)繞過(guò)去．1663年，英國(guó)科學(xué)家波義耳提出了物體的顏色不是物體本身的性質(zhì)，而是光照射在物體上產(chǎn)生的效果．他第一次記載了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋．這一發(fā)現(xiàn)與格里馬第的說(shuō)法有不謀而合之處，為后來(lái)的研究奠定了基礎(chǔ)在1665年出版的《顯微術(shù)》一書中，胡克注意到金剛石受到摩擦、打擊和加熱時(shí)在黑暗中會(huì)發(fā)光的現(xiàn)象，并以此為據(jù)認(rèn)為，“光必定是一種振動(dòng)”，并且是一種快速的小振幅的振動(dòng)．在談到光的傳播形式時(shí)，胡克寫道：“在一種

6、均勻媒質(zhì)中這一運(yùn)動(dòng)在各個(gè)方向都以相等的速度傳播．于是發(fā)光體的每一脈動(dòng)和振動(dòng)都必將形成一個(gè)球面，這個(gè)球面將不斷增大，如同投入水后引起越來(lái)越大環(huán)狀波一樣（盡管肯定要快得多）．由此可知，在均勻媒質(zhì)中擾動(dòng)而成的球面的一切部分都與射線正交”．這實(shí)際上已提出了波前或波面和媒質(zhì)各向同性的概念，并指出了光是由發(fā)光體的振動(dòng)在媒質(zhì)中引起的一系列與射線成直角的球形脈沖的擴(kuò)散．惠更斯在光學(xué)方面的最大貢獻(xiàn)是提出了光的波動(dòng)說(shuō)和惠更斯原理．惠更斯認(rèn)為，光是發(fā)光體中微小粒子的振動(dòng)，在彌漫于宇宙空間的以太中傳播的波動(dòng)過(guò)程．光波是一種靠物質(zhì)載體來(lái)傳播的縱向波，以太作為一種

7、媒質(zhì)傳輸光脈沖，它是以極高和有限的速度傳播的．他設(shè)想傳輸光的以太粒子應(yīng)是極硬的和富于彈性的．以此，他解釋了從無(wú)數(shù)不同方向來(lái)的光線又如何可以互不妨礙地交叉通過(guò)的和光的反射定律?；莞箯墓馐遣▌?dòng)的傳播這一觀念出發(fā)，提出了著名的以他的名字命名的原理——惠更斯原理：“光波發(fā)射時(shí)，光在其中傳播的每一物質(zhì)粒子不只把運(yùn)動(dòng)傳給與原始粒子及光源在同一直線上的鄰近粒子，而且還應(yīng)傳給所有和它接觸并阻礙其運(yùn)動(dòng)的一切粒子．因此，在每一粒子周圍就產(chǎn)生以此粒子為中心的波”．惠更斯還作圖說(shuō)明了這一原理．從圖中可見(jiàn)，由一點(diǎn)產(chǎn)生的光波的傳輸是以球面波的形式傳輸?shù)模總€(gè)子波

8、也都是下一個(gè)球面波的中心，而這些子波的波前的包絡(luò)面就是點(diǎn)波源的新波前．惠更斯原理的示意圖利用惠更斯原理，惠更斯在解釋折射現(xiàn)象時(shí)，修正了斯涅爾定律，得出光由空氣進(jìn)入水中時(shí)，，即兩個(gè)正弦函數(shù)之比等于兩種介質(zhì)中的