光的本性認(rèn)識的發(fā)展.doc

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1、.光的本性認(rèn)識的發(fā)展光的本住問題是貫穿在光學(xué)發(fā)展中的一個根本問題。正是這種對光的本性的探討有力地推動了光學(xué)以及整個物理學(xué)的發(fā)展。人們對光的本性的認(rèn)識，從光是“物質(zhì)的微粒流”，經(jīng)歷了光是“以太的振動”，光是電磁波到光是波粒二象性的統(tǒng)一等各個認(rèn)識階一段。這一認(rèn)識歷程從牛頓和惠更斯之爭算起到現(xiàn)在其間經(jīng)歷了三百多年。人們遵循實驗——假設(shè)——理論——實驗這條途徑，逐步達(dá)到了對光的本性的認(rèn)識，這一認(rèn)識揭示了物質(zhì)世界光和電磁的統(tǒng)一，光的波動性和微粒性的統(tǒng)一。德國物理學(xué)家勞厄在談到這一認(rèn)識的重大意義時指出：“在這以前還是完全互不相依的光的理論和電動力學(xué)理論的這種自然的結(jié)合發(fā)展是作為物理知識的真理

2、一性證明的一個最偉大的事件”。他在《物理學(xué)史》的導(dǎo)言中著重指出了研究兩類不同的物理思想“它們不期而遇并且自然地相結(jié)合”的意義。他說：“凡是經(jīng)歷了這種令人極為驚奇的事件的人，即使是在很遠(yuǎn)的距離經(jīng)歷的，或者至少能在事后加以回顧的，都不會懷疑：這些相互結(jié)合的理論，即使不包含完全的真理，終究也包含了與人類的附加因素?zé)o關(guān)的客觀真理的一種重要的內(nèi)核。否則，它們的結(jié)合只能理解為奇跡。物理學(xué)史的理想必須是把這樣的事件盡可能明晰地刻畫出來”。下面我們就來敘述人類對光的本性認(rèn)識的發(fā)展過程。（一）微粒說與波動說的思想淵源關(guān)于對光的本性這一古老之謎的認(rèn)識要追索到古希臘時代。古希臘杰出的原子論者德漠克利特

3、（Democritus，公元前460～前370）最早提出光是物質(zhì)微粒的觀點。他認(rèn)為視覺是由物體射出的微粒進(jìn)入眼睛而引起的。古希臘的男一個原子論者伊壁鳩魯（Epicurus，公元前341～前270）和古羅馬的原子論者盧克來修（Lucretius，公元前99一前55）堅持這一學(xué)說。盧克來修說：“從任何我們看見的東西，必定永遠(yuǎn)有許多原初物體流出來，被發(fā)放出來；被散布到四周各處，這些物體撞擊眼睛，引起了視覺?！?專業(yè).量子論者的這一觀點是后來把光看作某種物質(zhì)實體的粒子說的萌芽。古希臘杰出的思想家亞里士多德（Aristotle，公元前384一前322）認(rèn)為，視覺是在眼睛和可見物體之間的中間

4、介質(zhì)運動的結(jié)果。他認(rèn)為這種中間介質(zhì)有讓光通過的可能性（潛在能力），即是透明的，光則把這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實。所以，沒有中間介質(zhì)就沒有視覺。在這個理論中包含著后來的光的波動說的思想。科學(xué)發(fā)展到了17世紀(jì)，法國哲學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家笛卡兒（ReneDescartes，1596～1650）提出了對光的本性的看法。英籍德國物理學(xué)家玻恩（MaxBorn，1882—1970）和美國物理學(xué)家沃耳夫（Emil．Wolf，1922一）在他們的《光學(xué)原理》的歷史引言中說：“在新哲學(xué)的創(chuàng)立者當(dāng)中，笛卡兒可以提出來說一說，因為他根據(jù)他的形而上學(xué)觀念系統(tǒng)地陳述了關(guān)于光的本性的見解。笛卡兒認(rèn)為，光在本質(zhì)上是一

5、種壓力，在一種完全彈性的，充滿一切空間的介質(zhì)（以太）之中傳遞，他并且把顏色的差異歸因于這個介質(zhì)中粒子的不同速度的旋轉(zhuǎn)運動。”笛卡兒對光的本性沒有明確而統(tǒng)一的觀點。他在他的著作《光的折射》中提出了一個比喻：光通過介質(zhì)傳入人眼，就象機(jī)械脈沖沿著手杖傳入盲人的手和腦中一樣，并沒有某種物質(zhì)性的東西傳入眼睛使我們看到光和色。笛卡爾在這里強(qiáng)調(diào)了介質(zhì)的影響和接觸作用，認(rèn)為光是以太介質(zhì)中某種壓力的傳播過程，所以可以把他算作波動論者。另一方面，笛卡兒又從光的微粒觀念中推導(dǎo)出反射定律與折射定律。笛卡兒在《光的折射》中寫道：“假設(shè)我們將球從A點擊到B點，碰到地面CSE時，球因受阻而偏離原來的運動方向（

6、圖9－1）。它將往哪個方向偏？為了簡化所研究的問題，我們假定：地面是平滑堅硬的，并且球在下落和彈跳時速度保持不變。我們不考慮球在離開球拍以后能夠繼續(xù)運動的原因，也不考慮球的重量、大小以及形狀對運動方向會有什么影響。因為我們的目的并不是研究這些問題，而是研究光；并且上述因素對光都沒有影響?！苯又芽▋洪_始了對平滑表面上光的反射的研究。他把球的速度分解為垂直分量及水平分量。當(dāng)球碰到地面時，只是球速的垂直分量方向相反，大小不變。水平分量是不變的，由此很容易證明光的入射角等于它的反射角。笛卡兒繼續(xù)寫道：“現(xiàn)在讓我們來觀察折射現(xiàn)象。首先假定球從A點被拋至B點，在B點碰到的不是地面，而是一塊

7、布CBE，它非常稀疏和不結(jié)實，將減慢球的速度?！彼匀话阉俣确殖纱怪狈置思八椒至?，垂直方向速度減小而水平分量不變圖9－2。由此得.專業(yè).即對各向同性介質(zhì)，、與光的傳播方向無關(guān)。上式右端是一個與入射角無關(guān)的常數(shù)，它表明入射角的正弦與折射角的正弦之比是一個常數(shù)；這樣便解釋了折射定律。但是實驗表明當(dāng)光從光疏介質(zhì)（例如空氣）進(jìn)入光密介質(zhì)《例如水》時，光折向界面法線即i1＜i2，按照上述公式則υ1＞υ2，從微粒論的觀點看來，光在光密介質(zhì)中的光速應(yīng)當(dāng)大于光在光疏介質(zhì)中的光速。后來，實驗證明