二光的本質(zhì)之爭(zhēng)

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

2、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，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?zhuān)蚨C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

3、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“微粒”。 現(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)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“微粒”有何不同。,

4、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《方法論》的

5、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(lèi)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（Francesco Maria Grimaldi,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(chēng)之為“衍射”．由衍射現(xiàn)象格里馬第發(fā)現(xiàn)光線(xiàn)并不沿著

6、直線(xiàn)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),

7、在1665年出版的《顯微術(shù)》一書(shū)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(xiě)道：“在一種均勻媒質(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(xiàn)正交”．這實(shí)

8、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(xiàn)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)

9、不同方向來(lái)的光線(xiàn)又如何可以互不妨礙地交叉通過(guò)的和光的反射定律。,惠更斯從光是波動(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(xiàn)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?chē)彤a(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

10、波的形式傳輸?shù)模總€(gè)子波也都是下一個(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)中的光速之比．因?yàn)楫?dāng)光由疏媒質(zhì)進(jìn)入密媒質(zhì)時(shí)是靠近法線(xiàn)折射的，所以稠密介質(zhì)中光速小于稀疏介質(zhì)中的光速．這一結(jié)論與費(fèi)馬的推導(dǎo)結(jié)果一致，但與笛卡兒和牛頓的結(jié)果不同．,,兩塊方

11、解石平行放置時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象（丹麥人巴塞林那斯在1669年發(fā)現(xiàn)）,,在解釋丹麥人巴塞林那斯（E·Bartholinus,1625-1698）在1669年發(fā)現(xiàn)的方解石雙折射現(xiàn)象時(shí)，惠更斯認(rèn)為，光通過(guò)以太微粒，同時(shí)也通過(guò)晶體物質(zhì)微粒，以太微粒對(duì)光波的傳輸有影響，并形成一個(gè)球面波（即尋常光線(xiàn)）；而晶體中規(guī)則排列的微粒都是橢球體，它們對(duì)光波的傳輸產(chǎn)生影響，并形成一個(gè)橢球面波（即非尋常光線(xiàn)）．即尋常光線(xiàn)的波面是通常的球面，而非尋常光線(xiàn)的

12、波面是一個(gè)橢球面．,惠更斯又認(rèn)為，對(duì)于非尋常光線(xiàn)來(lái)說(shuō)，光在不同方向上的傳播速度不同（即不同方向的折射角不同），所以一束光射入方解石后就會(huì)分裂為兩部分．但是，如果光波連續(xù)通過(guò)兩個(gè)方解石時(shí)，會(huì)產(chǎn)生4條光線(xiàn)；當(dāng)兩個(gè)晶體相互平行放置時(shí)，在第一塊晶體中形成的雙光線(xiàn)，在第二塊晶體中這些光線(xiàn)并不進(jìn)一步分開(kāi)，而是平行地通過(guò)第二塊晶體；當(dāng)相互垂直放置時(shí)，兩個(gè)晶體中的尋常光線(xiàn)和非尋常光線(xiàn)會(huì)相互交換；適當(dāng)放置第二塊方解石，雙折射還會(huì)消失，就只有一根射出．對(duì)此

13、，惠更斯的波動(dòng)理論是難以解釋的．,對(duì)于影子邊緣的色帶和薄膜顏色——光的衍射和干涉現(xiàn)象，惠更斯也是難以解釋的；惠更斯的波動(dòng)說(shuō)解釋偏振現(xiàn)象時(shí)也遇到了困難．可見(jiàn)，惠更斯的波動(dòng)說(shuō)雖然取得了很大成功，但它是不完善的． 首先，惠更斯的波是縱波（不是橫波），而且是脈沖波；其次，惠更斯也沒(méi)有建立起關(guān)于波動(dòng)過(guò)程的周期性概念． 總之，波動(dòng)說(shuō)的困難在于它難以解釋光的直線(xiàn)傳播這一基本事實(shí)；不能解釋偏振現(xiàn)象，不能圓

14、滿(mǎn)地解釋雙折射現(xiàn)象；傳輸光波的以太物質(zhì)也是值得懷疑的．,光的微粒說(shuō)的代表人物是牛頓．在牛頓1740年出版的《光學(xué)》一書(shū)中，對(duì)光的本性的理論進(jìn)行了總結(jié)，在書(shū)中提出的31條疑問(wèn)中，牛頓也論述了光的波動(dòng)說(shuō)，并對(duì)光的波動(dòng)說(shuō)的困難進(jìn)行了深入的剖析，但更多是傾向于光的微粒說(shuō)． 牛頓反對(duì)波動(dòng)說(shuō)的理由，主要有以下三點(diǎn)： 第一，他認(rèn)為光的波動(dòng)說(shuō)不能很好地說(shuō)明光的直線(xiàn)傳播這一基本事實(shí)．,在“疑問(wèn)28”中，牛頓寫(xiě)道：“應(yīng)該觀察

15、光在障礙物內(nèi)的繞射，因?yàn)閿D壓或運(yùn)動(dòng)在流體中傳播時(shí)，如果遇障礙而一部分運(yùn)動(dòng)受到阻礙，那么在障礙物外邊，傳播就不可能沿著直線(xiàn)，而將繞過(guò)障礙擴(kuò)展到其外邊平靜的媒質(zhì)中去，水波和聲波就是這樣繞過(guò)障礙物的．但是我們從來(lái)不知道光會(huì)沿著彎曲的道路走，或者會(huì)彎到影子里面去”．但是牛頓當(dāng)時(shí)沒(méi)有注意到衍射現(xiàn)象中影子里面的亮條紋． 對(duì)于光的衍射，牛頓還進(jìn)一步談到：“這種彎曲不是向著陰影而是離開(kāi)它，并且只有在光線(xiàn)通過(guò)物體旁邊，與它相距很近

16、時(shí)才有這種現(xiàn)象．一旦光線(xiàn)經(jīng)過(guò)這物體之后，它就筆直前進(jìn)”．,第二，光的波動(dòng)說(shuō)不能解釋光的偏振現(xiàn)象．　　　1678年惠更斯發(fā)現(xiàn)加上第二塊方解石后不能引起光的第二次雙折射卻引起偏振現(xiàn)象，而他的波動(dòng)說(shuō)卻不能解釋?zhuān)?　　　牛頓注意到了光的波動(dòng)說(shuō)在解釋雙折射現(xiàn)象時(shí)所遇到的困難．他在疑問(wèn)28中寫(xiě)道：“因?yàn)閺囊粋€(gè)發(fā)光物體傳播出去的擠壓或運(yùn)動(dòng)，通過(guò)一種均勻媒質(zhì)時(shí)必須在所有的方向上都一樣．然而根據(jù)那些（在方解石，也稱(chēng)冰洲石上的）實(shí)驗(yàn)，光線(xiàn)看來(lái)在不同方向

17、上有著不同性質(zhì)．…” 換言之，普通光線(xiàn)的性質(zhì)在垂直于傳播方向的一切方向上是相同的，但是由雙折射所得到的光線(xiàn)在垂直于傳播方向的某些特殊方向上具有不同于其他方向的性質(zhì)．,牛頓認(rèn)為，除了現(xiàn)有的研究之外，光還應(yīng)有一些尚未發(fā)現(xiàn)的“固有性質(zhì)”， “這些屬性是原來(lái)就存在于光線(xiàn)之中的”．由于當(dāng)時(shí)一般都把光波與屬于縱波的聲波作比較，所以牛頓的結(jié)論是：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，如果光僅僅是在以太中傳播的擠壓或運(yùn)動(dòng)，那么這似乎是解釋不通的．”,第三

18、，對(duì)光的波動(dòng)說(shuō)賴(lài)以存在的“以太”的懷疑． 在“疑問(wèn)28”中，牛頓還寫(xiě)道：“對(duì)于天空為流體媒質(zhì)（除非它們非常稀?。┧顫M(mǎn)的那種主張，一個(gè)最大的反對(duì)理由在于行星和彗星在天空中各種軌道上的運(yùn)動(dòng)是那樣有規(guī)則和持久，因此很明顯，天空里沒(méi)有一切可覺(jué)察的阻力，所以也沒(méi)有任何可覺(jué)察到的物質(zhì)．……而如果把它拋棄，那么光是這樣一種介質(zhì)中傳播的擠壓或運(yùn)動(dòng)的這種假說(shuō)，也就和它一起拋棄了”．,雖然牛頓基本上是肯定微粒說(shuō)的，但是在解釋薄

19、膜色彩和“牛頓環(huán)”時(shí)，他提出了與波動(dòng)說(shuō)很相近的“猝發(fā)”理論．牛頓認(rèn)為，光微粒在折射面或反射面處將激起物質(zhì)和媒質(zhì)的振動(dòng)，這種振動(dòng)的傳播速度比光線(xiàn)還要快，因而可以趕上和超過(guò)光線(xiàn)；每一光線(xiàn)由于受到這種降臨到它的每一振動(dòng)的作用而相繼處于一陣容易透射、一陣容易反射的狀態(tài)．“每條光線(xiàn)在它通過(guò)任何折射面時(shí)都要進(jìn)入某種短暫的組態(tài)或狀態(tài)，這種組態(tài)或狀態(tài)在光線(xiàn)行進(jìn)中按相等的間隔復(fù)原，并且在每次復(fù)原時(shí)傾向于使光線(xiàn)容易穿過(guò)下一個(gè)折射面，而在兩次復(fù)原之間則容易被

20、它所反射．”,牛頓將“每一次復(fù)原和下一次復(fù)原之間光線(xiàn)通過(guò)的間隔”稱(chēng)為“猝發(fā)間隔”．這與“波長(zhǎng)”的定義很相似，可見(jiàn)他對(duì)光的周期性是有所認(rèn)識(shí)的． 光的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)幾乎是在同一時(shí)代產(chǎn)生的，為什么十九世紀(jì)以前光的微粒說(shuō)一直占據(jù)著統(tǒng)治地位，其原因是多方面的，大體可歸納為以下幾個(gè)方面： 第一，惠更斯的波動(dòng)說(shuō)本身的不完善性，而解決微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)爭(zhēng)論的判決性實(shí)驗(yàn)——光速的測(cè)定，還無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行．,第二

21、，在17、18世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)建立并取得很大成就．這種傳統(tǒng)觀念也影響著人們?nèi)菀捉邮苡媒?jīng)典力學(xué)的機(jī)械論——微粒說(shuō)來(lái)解釋光的本性． 第三，牛頓的威望很高，權(quán)威提出的理論易被人們所接受．牛頓自己也沒(méi)有想到，由于他的權(quán)威地位，使得接受波動(dòng)說(shuō)延誤了一個(gè)多世紀(jì)．,進(jìn)入1800年，英國(guó)醫(yī)生托馬斯·楊（Thomas Young, 1773-1829)和法國(guó)工程師菲涅耳(Augustin Jcan Fresn

22、el, 1788-1827)、阿拉果的工作，使波動(dòng)說(shuō)又重新提出，并取得成功． 1800年，托馬斯·楊在論文《聲學(xué)和光學(xué)的大綱和實(shí)驗(yàn)》中，他認(rèn)為光與聲都是波，提出了反對(duì)光的微粒說(shuō)的新論據(jù)：在解釋由強(qiáng)光源和弱光源所發(fā)出的光粒子有同樣的速度方面的困難，以及在解釋射線(xiàn)從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，一部分不斷地被反射，而另一部分不斷地發(fā)生折射的困難．研究了聲波的疊加原理，提出了“干涉”的概念．,1801年，托馬斯

23、·楊在《哲學(xué)雜志》上發(fā)表的論文很完整地闡述了干涉原理，即“當(dāng)同一束光的兩部分從不同路徑，精確地或非常接近地沿同一方向進(jìn)入人眼，則在光線(xiàn)的路程差是某一長(zhǎng)度的整數(shù)倍處，光將最強(qiáng)，而在干涉區(qū)之間的中間帶則最弱，這一長(zhǎng)度對(duì)于不同顏色的光是不同的．” 托馬斯·楊還明確指出：相互疊加的兩部分光必須是發(fā)自同一光源． 為了進(jìn)一步說(shuō)明干涉理論，托馬斯·楊還用紫外線(xiàn)做實(shí)驗(yàn)．由于紫外線(xiàn)是不可見(jiàn)光，他讓紫外

24、線(xiàn)反射在涂有氯化銀溶液的紙上，結(jié)果出現(xiàn)了黑環(huán)，從而證明了他的干涉原理．,借助干涉原理，托馬斯·楊解釋了“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，即在透鏡與玻璃之間形成一個(gè)空氣層，光線(xiàn)在空氣層的上下表面反射的兩束光相互疊加就產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象． 1802年，托馬斯·楊在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)上講演時(shí)講述了自己所作的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)．他還測(cè)定了光波的波長(zhǎng)，“比較各次實(shí)驗(yàn)，看來(lái)空氣中極紅端的波的寬度約為 英寸，而極紫端則為

25、 英寸”．這里的“波的寬度”就是波長(zhǎng)，折合成現(xiàn)代的數(shù)據(jù)，約為 埃（紅光）和 埃（紫光）．托馬斯·楊實(shí)現(xiàn)了用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得可見(jiàn)光的波長(zhǎng)．,,,,,盡管托馬斯·楊的理論在他的祖國(guó)——英國(guó)受到一些人的猛烈攻擊，但卻受到一些法國(guó)學(xué)者和工程師的重視，在19世紀(jì)初，他們對(duì)光的波動(dòng)說(shuō)的研究，大大地推動(dòng)了光的波動(dòng)說(shuō)乃至整個(gè)光學(xué)的發(fā)展． 1809年夏的一個(gè)傍晚，法國(guó)工程師、物理

26、學(xué)家馬呂斯（Etienne Louis Malus,1775-1812）用方解石（也稱(chēng)冰洲石）晶體觀看被玻璃窗反射的太陽(yáng)光像時(shí)，他驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在某一位置用晶體觀察時(shí)，太陽(yáng)的雙像之一消失了．,在當(dāng)天晚上，馬呂斯又發(fā)現(xiàn)，蠟燭光以36度角落在水面上反射時(shí)，用方解石也會(huì)看到類(lèi)似的現(xiàn)象，即只有一個(gè)像；在其他的情況下，兩個(gè)火焰像的明亮程度不同；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方解石時(shí)，兩個(gè)火焰像呈現(xiàn)出交替的明暗變化． 馬呂斯作了的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果從

27、方解石出來(lái)的兩束光同時(shí)以36度角落在水面上，尋常光被部分地反射，而非尋常光則完全未被反射，不被反射的光被折射進(jìn)入水中了，他由此得出了“偏振”的術(shù)語(yǔ)．他證明，尋常光與非尋常光的“偏振”方位是相互垂直的；折射光只是部分偏振光，其偏振狀態(tài)與反射光的偏振狀態(tài)恰成相反分布．,1811年，英國(guó)科學(xué)家布儒斯特（David Brewster, 1781-1868）發(fā)現(xiàn)，光線(xiàn)射向兩種介質(zhì)的界面，當(dāng)反射光線(xiàn)與折射光線(xiàn)恰好垂直時(shí)，反射光就成為平面偏振光

28、．同年，法國(guó)物理學(xué)家阿拉果（Dominique Francois Arago,1786-1853）也發(fā)現(xiàn)了色偏振現(xiàn)象． 對(duì)于偏振現(xiàn)象，馬呂斯與布儒斯特都堅(jiān)持用微粒說(shuō)來(lái)解釋?zhuān)⒎磳?duì)用波動(dòng)說(shuō)來(lái)解釋, 而當(dāng)時(shí)托馬斯·楊也不能解釋. 直到1817年，托馬斯·楊得出了新的觀點(diǎn)，光波與聲波的不同之處在于，光波是像水那樣的橫波．他寫(xiě)信向阿拉果表達(dá)了自己的觀點(diǎn)，阿拉果將此信轉(zhuǎn)告菲涅耳．,橫波的偏振現(xiàn)象

29、,只有橫波才有偏振現(xiàn)象.,菲涅耳是工程師，1814年他對(duì)光學(xué)發(fā)生了興趣，獨(dú)立做了托馬斯·楊在10年前所做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，并有所進(jìn)步. 在阿拉果的鼓勵(lì)下，菲涅耳加快了他的研究進(jìn)度，最終為波動(dòng)說(shuō)提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)． 1815年，菲涅耳向科學(xué)院提交了關(guān)于衍射的報(bào)告，在這篇報(bào)告中，除了衍射的實(shí)驗(yàn)外，還提出了惠更斯-菲涅耳原理-----“在任何一點(diǎn)的光源振動(dòng)可以看作在同一時(shí)刻傳播到那一點(diǎn)上的光的元振動(dòng)的總和，這些元振動(dòng)

30、來(lái)自所考察的未受阻攔的波的所有部分在它以前位置的任何一點(diǎn)的各個(gè)作用．”,菲涅耳采用了惠更斯的子波概念，并使子波具有了頻率、振幅和位相的內(nèi)容，從而使光的衍射理論更加完善． 為了說(shuō)明干涉原理，菲涅耳設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)---雙光干涉實(shí)驗(yàn)．他使兩個(gè)平面鏡并接起來(lái)，交接的角度小于180度．兩面平面鏡對(duì)一較小光源反射，便可得到兩束相干光，在屏上產(chǎn)生了清晰的干涉條紋．由于完全避開(kāi)衍射作用，使光的干涉得到了充分的肯定．,在計(jì)算衍射花紋時(shí)，

31、菲涅耳提出了半波帶法，結(jié)合惠更斯-菲涅耳原理，可精確地計(jì)算出光通過(guò)圓邊、直邊等形狀的孔發(fā)生的衍射情況．利用惠更斯-菲涅耳原理還成功地證明了光是沿直線(xiàn)傳播的．成功地消除了光的波動(dòng)說(shuō)的一大困難，對(duì)確立光的波動(dòng)說(shuō)具有重要意義． 當(dāng)阿拉果將托馬斯·楊關(guān)于光波是橫波的觀點(diǎn)轉(zhuǎn)告菲涅耳，菲涅耳很快就以橫波觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出光的反射和折射的振幅比公式，即菲涅耳公式，并且與后來(lái)根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論導(dǎo)出的公式完全一樣．這一公式的建

32、立也是菲涅耳對(duì)光學(xué)的重大貢獻(xiàn)之一．,新理論最重要的成就是解釋了當(dāng)時(shí)惠更斯不能解釋的雙折射現(xiàn)象． 1819年，菲涅耳與阿拉果合作進(jìn)行了驗(yàn)證光是橫波的觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)-----證明相互垂直的偏振光不相干涉 ．他們將單色光射向楊氏雙縫，其后的兩條光路上各放置一個(gè)起偏器，觀察屏幕上形成的干涉條紋變化情況．結(jié)果令人信服地證明，光是橫波．,隨著光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)的建立，人們開(kāi)始為光波尋找載體，以太說(shuō)又重新活躍起來(lái)．但人們?cè)趯ふ乙蕴倪^(guò)程中遇到

33、了許多困難，于是各種假說(shuō)紛紛提出，以太成為了十九世紀(jì)的眾焦點(diǎn)之一． 　　菲涅耳在研究以太時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是，橫向波的介質(zhì)應(yīng)該是一種類(lèi)固體，而以太如果是一種固體，它又怎么能不干擾天體的自由運(yùn)轉(zhuǎn)呢．不久以后泊松也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：如果以太是一種類(lèi)固體，在光的橫向振動(dòng)中必然要有縱向振動(dòng)，這與新的光波學(xué)說(shuō)相矛盾．,為了解決各種問(wèn)題，1839年柯西提出了第三種以太說(shuō)，認(rèn)為以太是一種消極的可壓縮性的介質(zhì)．柯西試圖以此解決泊松提出的困難．

34、 1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質(zhì)進(jìn)行類(lèi)比，試圖說(shuō)明有些物質(zhì)既硬得可以傳播橫向振動(dòng)又可以壓縮和延展——因此不會(huì)影響天體運(yùn)動(dòng)． 　　1887年，英國(guó)物理學(xué)家麥克爾遜與化學(xué)家莫雷以“以太漂流”實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在．,但此后仍不乏科學(xué)家堅(jiān)持對(duì)以太的研究．甚至在麥克斯韋的光的電磁說(shuō)提出以后，還有許多科學(xué)家潛心致力于對(duì)以太的研究． 自從托里拆利和蓋利克得到了比較高的真空以后，光和聲音相反，在傳播中不需要物質(zhì)這一點(diǎn)已是

35、確定無(wú)疑的了．,十九世紀(jì)中后期，在光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的論戰(zhàn)中，波動(dòng)說(shuō)已經(jīng)取得了決定性勝利．但人們?cè)跒楣獠▽ふ逸d體時(shí)所遇到的困難，卻預(yù)示了波動(dòng)說(shuō)所面臨的危機(jī)． 1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，光的粒子性再一次被證明！ 　 二十世紀(jì)初，普朗克和愛(ài)因斯坦提出了光的量子學(xué)說(shuō)．1921年，愛(ài)因斯坦因?yàn)?quot;光的波粒二象性"這一成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)． 　　 1921年，康普頓在試驗(yàn)中證明了X射線(xiàn)的粒子性

36、．1927年，杰默爾和后來(lái)的喬治·湯姆森在試驗(yàn)中證明了電子束具有波的性質(zhì)．同時(shí)人們也證明了氦原子射線(xiàn)、氫原子和氫分子射線(xiàn)具有波的性質(zhì)．,在新的事實(shí)與理論面前，光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕． 　　光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)從十七世紀(jì)初笛卡兒提出的兩點(diǎn)假說(shuō)開(kāi)始，至二十世紀(jì)初以光的波粒二象性告終，前后共經(jīng)歷了三百多年的時(shí)間．牛頓、惠更斯、托馬斯．楊、菲涅耳等多位著名的科學(xué)家成為這一論戰(zhàn)雙方的主辯手．正是他們

37、的努力揭開(kāi)了遮蓋在“光的本質(zhì)”外面那層撲朔迷離的面紗． 　　經(jīng)過(guò)三個(gè)世紀(jì)的研究，我們得出了光具有波粒二象性的結(jié)論，然而隨著科學(xué)的不斷向前發(fā)展，在光的本性問(wèn)題上是否還會(huì)有新的觀點(diǎn)、新的論據(jù)出現(xiàn)呢？波粒二象性真的是最后結(jié)果嗎？,,光的衍射,,S,,,,然而1672年，偉大的牛頓在他的論文《關(guān)于光和色的新理論》中談到了他所作的光的色散實(shí)驗(yàn)：讓太陽(yáng)光通過(guò)一個(gè)小孔后照在暗室里的棱鏡上，在對(duì)面的墻壁上會(huì)得到一個(gè)彩色光譜．他認(rèn)為，光的復(fù)合和分解就像

38、不同顏色的微?；旌显谝黄鹩直环珠_(kāi)一樣．在這篇論文里他用微粒說(shuō)闡述了光的顏色理論． 　　第一次波動(dòng)說(shuō)與粒子說(shuō)的爭(zhēng)論由“光的顏色”這根導(dǎo)火索引燃了．從此胡克與牛頓之間展開(kāi)了漫長(zhǎng)而激烈的爭(zhēng)論．,,,牛頓肖像,1672年2月6日，以胡克為主席，由胡克和波義耳等組成的英國(guó)皇家學(xué)會(huì)評(píng)議委員會(huì)對(duì)牛頓提交的論文《關(guān)于光和色的新理論》基本上持以否定的態(tài)度． 牛頓開(kāi)始并沒(méi)有完全否定波動(dòng)說(shuō)，但在爭(zhēng)論展開(kāi)以后，牛頓在很多論文中對(duì)胡克的波動(dòng)說(shuō)進(jìn)

39、行了反駁． 　　1675年12月9日，牛頓在《說(shuō)明在我的幾篇論文中所談到的光的性質(zhì)的一個(gè)假說(shuō)》一文中，再次反駁了胡克的波動(dòng)說(shuō)，重申了他的微粒說(shuō)． 　　由于此時(shí)的牛頓和胡克都沒(méi)有形成完整的理論，因此波動(dòng)說(shuō)和微粒說(shuō)之間的論戰(zhàn)并沒(méi)有全面展開(kāi)．但科學(xué)上的爭(zhēng)論就是這樣，一旦產(chǎn)生便要尋個(gè)水落石出．舊的問(wèn)題還沒(méi)有解決，新的爭(zhēng)論已在醞釀之中了．,波動(dòng)說(shuō)的支持者，荷蘭著名天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家惠更斯繼承并完善了胡克的觀點(diǎn)．1666年，惠更斯應(yīng)邀來(lái)

40、到巴黎科學(xué)院以后，開(kāi)始了對(duì)物理光學(xué)的研究．他仔細(xì)的研究了牛頓的光學(xué)試驗(yàn)和格里馬第實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為其中有很多現(xiàn)象都是微粒說(shuō)所無(wú)法解釋的．因此，他提出了波動(dòng)學(xué)說(shuō)比較完整的理論．他認(rèn)為，光是一種機(jī)械波；光波是一種靠物質(zhì)載體來(lái)傳播的縱向波，傳播它的物質(zhì)載體是“以太”；波面上的各點(diǎn)本身就是引起媒質(zhì)振動(dòng)的波源．根據(jù)這一理論，惠更斯證明了光的反射定律和折射定律，也比較好的解釋了光的衍射、雙折射現(xiàn)象和著名的“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)．,就在惠更斯積極的宣傳波動(dòng)學(xué)說(shuō)的同時(shí)

41、，牛頓的微粒學(xué)說(shuō)也逐步的建立起來(lái)了．牛頓修改和完善了他的光學(xué)著作《光學(xué)》．基于各類(lèi)實(shí)驗(yàn)，在《光學(xué)》一書(shū)中，牛頓一方面提出了兩點(diǎn)反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應(yīng)該同聲波一樣可以繞過(guò)障礙物、不會(huì)產(chǎn)生影子；第二，冰洲石的雙折射現(xiàn)象說(shuō)明光在不同的邊上有不同的性質(zhì)，波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋其原因．另一方面，牛頓把他的物質(zhì)微粒觀推廣到了整個(gè)自然界，并與他的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系融為一體，為微粒說(shuō)找到了堅(jiān)強(qiáng)的后盾．,隨著惠更斯與胡克已相繼去世，波動(dòng)說(shuō)一方無(wú)人

42、應(yīng)戰(zhàn)．而牛頓由于其對(duì)科學(xué)界所做出的巨大的貢獻(xiàn)，成為了當(dāng)時(shí)無(wú)人能及的一代科學(xué)巨匠．隨著牛頓聲望的提高，人們對(duì)他的理論頂禮膜拜，重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)，并堅(jiān)信與他相同的結(jié)論．整個(gè)十八世紀(jì)，幾乎無(wú)人向微粒說(shuō)挑戰(zhàn)，也很少再有人對(duì)光的本性作進(jìn)一步的研究．　　十八世紀(jì)末，在德國(guó)自然哲學(xué)思潮的影響下，人們的思想逐漸解放． 1801年，楊氏進(jìn)行了著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現(xiàn)象，從而證明了光是一種波．

43、,1808年，拉普拉斯用微粒說(shuō)分析了光的雙折射線(xiàn)現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動(dòng)說(shuō)． 　 1809年，馬呂斯在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象．在進(jìn)一步研究光的簡(jiǎn)單折射中的偏振時(shí)，他發(fā)現(xiàn)光在折射時(shí)是部分偏振的．因?yàn)榛莞乖岢鲞^(guò)光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為了反對(duì)波動(dòng)說(shuō)的有利證據(jù)． 　　1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律．,光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的波動(dòng)說(shuō)陷入了困境，使物理光學(xué)

44、的研究更朝向有利于微粒說(shuō)的方向發(fā)展． 　 面對(duì)這種情況，楊氏對(duì)光學(xué)再次進(jìn)行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說(shuō)法，提出了光是一種橫波的假說(shuō)，比較成功的解釋了光的偏振現(xiàn)象．吸收了一些牛頓派的看法之后，楊氏又建立了新的波動(dòng)說(shuō)理論．,1882年，德國(guó)天文學(xué)家夫瑯和費(fèi)首次用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象．在他之后，德國(guó)另一位物理學(xué)家施維爾德根據(jù)新的光波學(xué)說(shuō)，對(duì)光通過(guò)光柵后的衍射現(xiàn)象進(jìn)行了成功的解釋?zhuān)?　

45、　至此，新的波動(dòng)學(xué)說(shuō)牢固的建立起來(lái)了．微粒說(shuō)開(kāi)始轉(zhuǎn)向劣勢(shì)．,隨著光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)的建立，人們開(kāi)始為光波尋找載體，以太說(shuō)又重新活躍起來(lái)．但人們?cè)趯ふ乙蕴倪^(guò)程中遇到了許多困難，于是各種假說(shuō)紛紛提出，以太成為了十九世紀(jì)的眾焦點(diǎn)之一． 　　菲涅耳在研究以太時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是，橫向波的介質(zhì)應(yīng)該是一種類(lèi)固體，而以太如果是一種固體，它又怎么能不干擾天體的自由運(yùn)轉(zhuǎn)呢．不久以后泊松也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：如果以太是一種類(lèi)固體，在光的橫向振動(dòng)中必然要有縱向振動(dòng)，這與

46、新的光波學(xué)說(shuō)相矛盾．,為了解決各種問(wèn)題，1839年柯西提出了第三種以太說(shuō)，認(rèn)為以太是一種消極的可壓縮性的介質(zhì)．柯西試圖以此解決泊松提出的困難． 1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質(zhì)進(jìn)行類(lèi)比，試圖說(shuō)明有些物質(zhì)既硬得可以傳播橫向振動(dòng)又可以壓縮和延展——因此不會(huì)影響天體運(yùn)動(dòng)． 　　1887年，英國(guó)物理學(xué)家麥克爾遜與化學(xué)家莫雷以“以太漂流”實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在．但此后仍不乏科學(xué)家堅(jiān)持對(duì)以太的研究．甚至在麥克斯韋的光的電磁說(shuō)提

47、出以后，還有許多科學(xué)家潛心致力于對(duì)以太的研究．,十九世紀(jì)中后期，在光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的論戰(zhàn)中，波動(dòng)說(shuō)已經(jīng)取得了決定性勝利．但人們?cè)跒楣獠▽ふ逸d體時(shí)所遇到的困難，卻預(yù)示了波動(dòng)說(shuō)所面臨的危機(jī)． 1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，光的粒子性再一次被證明！ 　 二十世紀(jì)初，普朗克和愛(ài)因斯坦提出了光的量子學(xué)說(shuō)．1921年，愛(ài)因斯坦因?yàn)?quot;光的波粒二象性"這一成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)． 　　 1921年，康

48、普頓在試驗(yàn)中證明了X射線(xiàn)的粒子性．1927年，杰默爾和后來(lái)的喬治·湯姆森在試驗(yàn)中證明了電子束具有波的性質(zhì)．同時(shí)人們也證明了氦原子射線(xiàn)、氫原子和氫分子射線(xiàn)具有波的性質(zhì)．,在新的事實(shí)與理論面前，光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕． 　　光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)從十七世紀(jì)初笛卡兒提出的兩點(diǎn)假說(shuō)開(kāi)始，至二十世紀(jì)初以光的波粒二象性告終，前后共經(jīng)歷了三百多年的時(shí)間．牛頓、惠更斯、托馬斯．楊、菲涅耳等多位著名的科學(xué)家成