第1个回答 2005-12-30
对于光的本性的认真探讨,从17世纪下半叶开始,当时有两种对立的学说:一种是以牛顿(Nenton)为代表的微粒说,认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流.这个学说直接说明了光的直线传播特性,并能对光的折射和反射作出一定的解释.但在研究光的折射定律时,却得出了光在水中的速度比空气中大的错误结论(当时无法测光速).另一种是惠更斯(C.Hugens)于1678年提出的波动说,认为光是在一种特殊弹性介质(光以太ether)中传播的机械波,这个学说成功的解释了光的折射和反射定律,并认为不同色的光有不同的波长.惠更斯认为光波不是横波是纵波.他的理论很不完善,为了和实验相符,必须赋予以太种种异乎寻常的性质,如光能在真空和透明介质中传播,以太就必须存在于真空中和透明介质中,所以以太是必须充斥整个宇宙的透明介质.而光速是如此之大,以太还必须具有巨大的弹性.
N——固体的切变横量
——密度
v→大,
v→很大, →很小(真空)而N→很大(比钢的还大),矛盾!
以上两种理论,孰是孰非,只能由实验事实做评定.然而当时受实验条件的限制再加上牛顿的威望,使光的微粒说统治了近两个世纪.
直到19世纪上半叶,经杨氏(T.Young)和菲涅耳(A.J.Fresnel)等人的工作,不仅解释了光的干涉,衍射现象,还测出了光的波长,还由光的波动理论得出光在水中的速度小于空气中的速度的结论.这一结论直到1862年由傅科(J.L.Foucalt)的实验所证实.菲涅耳和阿喇果(D.Arago)通过实验还证明了光的横波性.至此,波动说取得了巨大成功.
但是波动说仍然以以太为假设,人们无法理解以太,这使得惠更斯的波动说和牛顿的微粒说一样,都带有机械论的色彩.把光现象看成某中机械运动过程,光是弹性波,必须有弹性介质——以太.机械的弹性理论既没有指出光学现象和其他物理现象间的任何联系,也没有能把表征介质性质的光学常数和介质的其他参数联系起来.
1846年,法拉第(Faraday)发现了光的振动面在磁场中发生偏转.这表示光学现象与磁学现象间存在内在的联系.1856年韦伯(Weber)发现,光在真空中的速度等于电磁强度的电磁单位与静电单位的比值3×1010cm/s,这表示光学现象与电学现象有一定的关系.(启发学生在思考问题时注意横向联系).
1865年麦克斯韦(J.C.Maxwell)建立起著名的电磁场理论预言了电磁波的存在,证明了电磁波的横波性,并发现电磁波的速度等于光速!由此,麦克斯韦认为光是一种波长较短的电磁波.1888年,赫兹(H.R.Hertz)通过实验发现了波长较长的电磁波.光的电磁理论仍离不开传播介质——以太,这是电磁以太.光波(电磁波)是电磁波在以太中的传播过程,仍认为以太是光波的载体.
19世纪末20世纪初是物理学发生伟大变革的时代,从牛顿力学热力学和统计力学到麦克斯韦的电磁理论,经典物理学已形成一套严整的理论体系.人们认为物理学中的各种基本问题在原则上都已得到完善解决,经典物理理论体系囊括了一切物理现象和基本规律,剩下的似乎只是解微分方程和具体应用的问题了(大厦已建成,后人只做修补就行了).然而,"正当人们欢庆这座宏伟的经典物理学大厦落成的时候",一个个惊人的发现使经典物理学理论重新陷入困境.1887年,迈克尔逊(A.A.Michelson)利用光的干涉效应,试图探测地球"以太风"的存在,但得到了否定的结果.以"以太(静止,充满整个宇宙)"为背景的绝对时空观遇到了根本性的困难.随后瑞利(L.Rayleigh)和金斯(J.H.Jeans)根据统计力学和电磁波理论,导出了黑体辐射公式,该公式要求辐射能量随频率的增大而趋于无穷(紫外灾 难).
1900年4月27日,当时的物理学权威开尔文(威廉.汤姆逊)(L.Kelvin)在为送别旧世纪而做的题为《十九世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的长篇讲话中,把上述两个问题比喻笼罩在物理晴朗天空的两朵乌云.但后来的物理学发展证实,正是这两朵乌云孕育着近代物理学两个革命性的重大理论——相对论和量子论的诞生.有趣的是,这两个问题都与光学有关.
1900年,为解决黑体辐射理论和实验的矛盾,普朗克(M.Plank)提出了量子假说,认为各种频率的电磁波(包括光波),只能象微粒一样,以一定最小份额的能量发生(能量子),这是一个光的发射问题.另一个显示光的微粒性的重要发现是光电效应,即光照射到金属表面使电子逸出,逸出电子的能量与光强无关,而只与频率有关,这是光的吸收问题.1905年爱因斯坦(A.Einstain)提出了量子假说,(E=hυ,p=hυ/c=h/λ)成功的解决了光电效应现象.光究竟是微粒还是波动
其实光是十分复杂的客体.关于光的本性问题,只能用它表现的规律和性质来回答;光的某些方面的行为象经典的"波动",另一方面的行为却象经典的粒子这就是所谓的"光的波粒二象性".
任何经典的概念都不能完全概括光的本性.光到底是什么 可用下面几句话来概括:光是一种物质形态,具有波粒二象性;波动性和粒子性是同一客观物质——光在两种不同场合下反映出来的两种属性;光既是具有粒子性的电磁波,又是具有波动性的光子流.
二,光学的研究对象,理论体系与应用
光学是研究光的传播及其与物质相互作用问题的学科.它既 是物理学中一门重要的基础学科,又是一门应用性很强的学科.从理论体系讲,光学就是以人 探索光的本性为基本线索而建立起来的一个物理学分支.
若不涉及光的发射与吸收等与物质相互作用过程的微观机制,这部分内容称经典光学.在传统上经典光学可分为两大部分;当波长可视为极短,从而波动效应不明显时人们把光的能量看作是沿着一条光线传播的,遵从直进,反射,折射等实验定律,这便是几何光学.几何光学的研究方法的特点是撇开光的本性,以光的直进,反射,折射等实验定律为
基础,研究光在透明介质中的传播规律及光学系统成像的规律.经典光学的另一部分是物理光学,它主要研究光的波动性(干涉,衍射,偏振).研究方法是以光在本质上是波长较短的电磁波为基础.光和物质的相互作用问题,通常是在分子,原子的尺度里研究,有时用经典理论有时用量子理论.这类问题不属于经典光学范围,通常称为量子光学..
光学的另一分支是现代光学,是在60年代特别是激光问世以后迅速发展起来的,并与其他学科结合,渗透,派生出不少崭新的分支学科,激光的应用非常广泛.
重要光学事件
公元前400年 《墨经》: 光的几何性质记录
公元前300~400年 欧几里德: 光的直线传播
开普勒(德):光照,光疏密性质,全反射
1621年 斯涅尔(荷):折射定律
1655年 格拉马蒂(意):衍射,薄膜干涉现象
牛顿:总结提出光的粒子说
惠更斯(荷):同期提出光的波动学说.(以太介质)
1801年 托马斯.杨(英):杨氏双缝干涉
1808年 马吕斯(法):光的偏振(光是横波)
1811年 布儒斯特(英):双轴晶体
1818年 菲涅尔(法):惠更斯—菲涅尔原理
同期 洛埃:洛埃镜实验 半波损失
—> 为波动说奠定基础.
1849—62年 菲索和傅科(法)光速测量:—> 证实波动说
1872年 迈克尔逊和莫雷(美):以太寻找实验
1872年 麦克斯韦:建立Maxwell方程,光速,光是电磁波
1886年 赫兹(德):证实电磁波
1905年 爱因斯坦:光的量子学说 —> 光的粒子性
相对论—>光速
光的波粒二象性
光学理论体系
几何光学 反射,折射,透镜
经典光学
波动光学 干涉,衍射,偏振
光学 量子光学 光的发射,吸收,相互作用
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激光原理及应用
傅立叶光学,全息光学
现代光学 激光光谱学
非线性光学
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三,学好光学课程的重要性:
光学是经典物理向近代物理过渡的桥梁,它是后续课原子物理(近代物理),量子力学)等的基础;中学物理教学的需要 ;学习和了解现代科技的需要,考研的需要
四,主要参考书
1.《光学教程》 姚启均 教材
2.《光学》 母国光
3.《光学》 赵凯华
4.《光学》 (基础物理从书)赵玲
5.《基础光学》 李良德
6.《光学》 郭光灿
7.《光学基础》 Jankins and White
回答者：physics权威 - 助理 三级 12-28 23:23
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光子有别于实物粒子，光子没有静质量。
回答者：watercup__ - 见习魔法师 二级 12-28 23:24
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关于光的本性问题,只能用它表现的规律和性质来回答;光的某些方面的行为象经典的"波动",另一方面的行为却象经典的粒子这就是所谓的"光的波粒二象性".
任何经典的概念都不能完全概括光的本性.光到底是什么 可用下面几句话来概括:光是一种物质形态,具有波粒二象性;波动性和粒子性是同一客观物质——光在两种不同场合下反映出来的两种属性;光既是具有粒子性的电磁波,又是具有波动性的光子流.
回答者：Dyemn - 高级经理 六级 12-29 00:16
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回答者：艾萨克·牛顿 - 魔法师 四级 12-29 02:40
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关于光的本性问题,只能用它表现的规律和性质来回答;光的某些方面的行为象经典的"波动",另一方面的行为却象经典的粒子这就是所谓的"光的波粒二象性".
任何经典的概念都不能完全概括光的本性.光到底是什么 可用下面几句话来概括:光是一种物质形态,具有波粒二象性;波动性和粒子性是同一客观物质——光在两种不同场合下反映出来的两种属性;光既是具有粒子性的电磁波,又是具有波动性的光子流.