物理学史(光学)

第四章光学的发展§4.1历史概述§4.2折射定律的建立§4.3牛顿研究光的色散§4.4光的微粒说和波动说§4.5光谱的研究第一节光学历史概述光学的起源也和力学、热学一样,可以追溯到二、三千年前。我国的《墨经》就记载了许多光学现象,例如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等等。西方也很早就有光学知识的记载,欧儿里得(Euclid,公元前约330-260)的《反射光学》(Catoptrica)研究了光的反射,阿拉伯学者阿勒·哈增(Al-Hazen,965～1038)写过一部《光学全书》,讨论了许多光学现象。光学真正形成一门科学,应该从建立反射定律和折射定律的时代算起,这两个定律奠定了几何光学的基础。光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成,认为这些微粒按力学规律沿直线飞行,因此光具有直线传播的性质。19世纪以前,微粒说比较盛行。但是,随着光学研究的深入,人们发现了许多不能用直进性解释的现象,例如干涉、衍射等,用光的波动性就很容易解释,于是光的波动说又占了上风。两种学说的争论构成了光学发展史中的一根红线。第二节：折射定律的建立折射现象发现得很早,折射定律却几经沧桑,经过漫长的岁月才得以确立。早在古希腊时代,天文学家托勒密(约100～170),曾专门做过光的折射实验。他写有《光学》5卷,可惜原著早已失传。从残留下来的资料可知,在那部书中记有折射实验和他得到的结果:折射角与入射角成正比。大约过了一千年,阿勒·哈增发现托勒密的结论与事实不符。他认识到入射线、反射线和反光镜的法线总是在同一平面,入射线与反射线各处于法线的一侧。根据屏高BE和两阴影的长度EH和EG，就可算出立方体的入射角和出射角之比。1、开普勒的工作：1611年写了《折光学》，记载了两个实验。第一个实验:比较入射角和折射角：如图，日光LMN斜射到器壁DBC上，BC边沿的影子投射到底座于HK；另一部分从DB射进一玻璃立方体ADBEF内，阴影的边沿形成于IG。第二个实验是：用一个圆柱性玻璃，令光线沿S1和S2入射，通过圆柱中心的光线S1方向不变，和圆柱边沿相切的光线S2偏折最大，并发现最大偏折角约为420。全反射的发现：令AB为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻璃发生折射，由于最大偏折角为420，所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为420×2=840的锥形MON。若有一束光∑从玻璃射向空气，当入射角大于420时，则到达O点后，将既不能进入空气，也不能进入MON锥形区域，必定反射为∑’。2、斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：折射定律的正确表述是荷兰的斯涅耳(W.Snell,1580-1626)在1621年从实验得到的。方法和开普勒基本相同，但斯涅耳发现，比值OS/OS’恒为常数，并由此导出图中所示式子。3笛卡儿的工作：现代形式的折射定律是笛卡儿在1637年出版的《方法论》中提出的。他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看作是一层很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，当球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出：visini=vrsinr，所以有：sini/sinr=vr/vi=常数但由于他假设介质交界面两侧的光速的平行分量相等是错误的，为使理论与实验数据相符，必须假设光密媒质内的光速比光疏媒质大。这显然都是不正确的。4费马的工作：1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。折射定律的确立是光学发展史中的一件大事。它的研究由于天文学的迫切要求而受到推动,因为天文观测总是会受大气折射的影响,后来又加上光学仪器制造的需要,所以到了17世纪,许多物理学家都致力于研究折射现象。一经建立起折射定律,几何光学理论很快得到了发展。第三节牛顿研究光的色散牛顿是一位科学巨匠。他不仅在力学上有伟大的成就，在数学、天文学、化学以至光学上都有杰出的贡献。单就光学方面的工作，就足以被后人敬为科学上的伟人。和力学方面的综合工作不同，牛顿在光学方面的工作多是奠基性的实验研究，其中尤以色散的研究最为突出。1、色散现象的早期研究2、牛顿对色散现象的思考3、牛顿的色散实验1、色散现象的早期研究色散也是一个古老的课题，最引人注目的是彩虹现象。早在13世纪，科学家就对彩虹的成因进行了探讨。（1）德国有一位传教士叫西奥多里克（Theodoric），曾在实验中模仿天上的彩虹。他用阳光照射装满水的大玻璃球壳，观察到了和空中一样的彩虹，以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象。不过，他的进一步解释没有摆脱亚里士多德的教义，继续认为各种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起。（2）笛卡儿用实验检验西奥多里克的论述。在《方法论》（1637年）的一篇附录中专门讨论了彩虹，并介绍了他所做的棱镜实验：他用棱镜将阳光投射到荧屏上，发现不论光照到棱镜的那一部位，折射后屏上的图象都是一样的。从而否定了光是由于受到不同阻滞而产生不同颜色的说法。由于笛卡儿的屏离棱镜太近（只有几厘米），他没有看到色散后的整个光谱。只注意到光带的两侧分别呈现兰色和红色。（3）1648年，布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。不过他解释错了。他认为红色是浓缩了的光，蓝色是稀释了的光；之所以会出现五颜六色，是由于光受物质的不同作用，因而呈现各种不同的颜色。17世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略运用望远镜观察天体星辰，胡克用显微镜观察微小物体，激起了广大科学界的兴趣。然而，当放大倍数增大时，这些仪器不可避免地都会出现象差和色差，使人们深感迷惑。人们不理解，为什么在图象的边缘总会出现颜色？这和彩虹有没有共同之处？这类现象有什么规律性？怎样才能消除？这时，牛顿正在英国剑桥大学学习。他的老师中有一位数学教授名叫巴罗（IsaacBarrow，1630—1677），对光学很有研究。牛顿听过他讲光学，还帮他编写《光学讲义》。牛顿很喜欢做光学实验，还亲自动手磨制透镜，想按自己的设计装配出没有色差的显微镜和望远镜。这个愿望激励他对光和颜色的本性进行深入的探讨。2、牛顿对色散现象的思考牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。例如笛卡儿说过：“运动慢的光线比运动快的光线折射得更厉害，”胡克描述过肥皂泡的颜色变化，认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不同印象。红色和蓝色是原色，其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成。牛顿注意到这些说法的合理成分，同时也提出许多疑问。在牛顿留下的手稿中，记录了许多当年的疑问和思考，例如，他问道：如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线？为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快？为什么水比水蒸汽更清晰？为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？牛顿不满意前人（包括他的老师）对光现象的解释，就自己动手做起了一系列实验。3、牛顿的色散实验牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发，又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜，屏距折射位置大约60厘米，玻意耳把棱镜散射的光投到1米多高的天花板上，而牛顿则将距离扩展为6—7米，从室外经洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。这样，他就获得了展开的光谱，而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑。牛顿高明之处就在于他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能，只有拉长距离才能分解开不同折射角的光线。疑问：色散是不是由于光和棱镜作用的结果？实验一：为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能，牛顿用棱镜做了如下的实验。如图在一张黑纸上画一条线abc，半边bc为深蓝色，半边ab为深红色，经棱镜观看，只见这根线好象折断了似的，分界处正是红蓝之交，蓝色部分ef比红色部分ed更靠近棱脊。可见蓝光比红光受到更大的折射。实验二：为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同颜色具有不同的折射性，牛顿又做了一个实验。他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不同，如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作用引起的，经过第二和第三棱镜后，这种色散现象应进一步加强。显然实验结果不支持这一观点。实验结果是：原来分散的各种颜色，经过第二个棱镜后又还原成白光，形状和原来一样。再经过第三个棱镜，又分解成各种颜色。由此证明，棱镜的作用是使白光分解为不同成分，又可使不同成分合成为白光。牛顿这一科学论断和当时已流传上千年的观念是格格不入的。他预料会遭到科学界的反对，于是又做了一个很有说服力的实验。牛顿把这个实验称为“判决性实验”。拿两块木板，一块DE放在窗口F紧贴棱镜ABC处，光从S平行进入F后经棱镜折射穿过小孔G，各种颜色以不同的角度射向另一块木板de。de离DE约4米远，板上也开有小孔g，在g后面也放有一块三棱镜abc，使穿过的光再折射后抵达墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转，这样第二块木版上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc。实验三：实验结果：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个三棱镜时也偏折的最多。结论：白光是由折射性能不同的各种颜色的光组成。在色散实验的基础上，牛顿总结出了几条规律，即：1、光线随其折射率不同，色也不同。色不是光的变态，而是光线原来的、固有的属性。2、同一色属于同一折射率，不同的色，折射率不同。3、色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射或其它任何原因而改变。4、必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由原始的颜色复合而成的色。5、本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线按适当比例混合而成。6、由此可解释棱镜形成各种色的现象及彩虹的形成。7、自然物体的色是由于对某种光的反射大于其它光反射的缘故。8、把光看成实体有充分根据。牛顿的这些结论相当全面，而且论据充分。但是当时人们难以接受，因为这涉及到中世纪以来关于光的本性的种种争论。牛顿对这个问题并没有作出判决，但是他的结论与光的本性密切相关。牛顿关于光和颜色的理论对当时人们来说实在太新奇了，怀疑和攻击不断对牛顿袭来。有人认为牛顿的光谱实验没有考虑到太阳本身的张角，有人主张光谱变长是一种衍射效应，还有人提出可能是天空中云彩的反映。胡克对牛顿挑剔得最厉害，他认为牛顿的实验不具判决性，用别的理论也可说明，而牛顿的理论无法解释薄膜的颜色。为此，牛顿在几年后又做了一个实验。牛顿又作如下实验：取一长而扁的三棱镜，使它产生的光谱相当狭窄。当屏放在位置1时，屏上显示仍为白光；当将屏倾斜到位置2时，就可看到分解的光谱。这一实验说明：光谱只涉及屏的角度，结果与棱镜无关。因而也就回答了怀疑者提出的质疑。实验四：牛顿的光学研究具有独特的风格,他在光学领域中的成就集中反映在1704年出版的《光学》一书中。该书的副标题是:《关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文》。全书共分三编,棱镜光谱实验收集在第一编中。正像牛顿在该书开始所说的:“我的计划不是用假设来解释光的性质,而是用推理和实验来提出并证明这些性质。”在第一编中,牛顿共提出19个命题,33个实验,他以大量篇幅详细描述实验装置、实验方法和观测结果。牛顿有一句名言:“不作虚假的假设”(hypothesesnonfingo)。他的光学研究正是从实验和观察出发,进行归纳综合,总结出一套完整的科学的理论。归纳法是科学研究的重要方法之一(当然不是唯一的方法),牛顿对色散的研究为后人树立了光辉的样板。第四节光的微粒说和波动说什么是光？光的本性是什么？它由什么组成？每一位研究光学现象的物理学家都必然会涉及这些问题。从折射定律和色散现象的研究也可以看出这一点。1、早期的波动说2、托马斯∙杨的研究3、菲涅耳的贡献笛卡尔主张波动说，他认为光本质上是一种压力，在完全弹性的、充满一切空间的媒质（以太）中传递，传递的速度无限大。但他却又用小球的运动来解释光的反射和折射。牛顿倾向于微粒说，认为光可能是微粒流，这些微粒从光源飞出，在真空或均匀媒质中做惯性运动，但他在研究牛顿环时，却认识到了光的周期性，使他把微粒说和以太振动的思想结合起来，对干涉条纹做出了自己的解释。可见，不论是笛卡尔还是牛顿，都没有对光的本性做出肯定的判断。1、早期的波动说（1）