经典光学的形成

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1、第六章经典光学的形成 第一节几何光学的完善 一、早期的光学研究n1.古代光学:基本上停留在几何光学的研究和总结上。 公元前5世纪墨经以8条文字连续记载了光学问题：影子生成的道理；光线与影子的关系；光线直线行进实验；光反射特性；从物体与光源相对地位关系确定影子的大小；平面镜反射现象；凹面镜反射现象；凸面镜反射现象。 墨家认为 ：“人以目见，而目以火见” 墨经在光学史上占有重要的地位,它是世界上最早的比较完整的几何光学著作。 北宋时期沈括在梦溪笔谈卷3中写道：“阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内。离镜一二寸，光聚为一点大如麻菽，著物则火发，此即腰鼓最细处”。这是关于凹面镜焦点最早是明确描述。欧洲到12

2、67年培根才发现凹面镜的焦点。 古希腊欧几里德(Euclid，约公元前330-275） 研究光的反射。 阿拉伯人到11世纪才发现小孔成像并加以解释。 欧几里德说：“在几何学里，大家只能走一条路，没有专为国王铺设的大道。”这句话成为千古传诵的学习箴言。他在光学方面主要研究光的直线传播和光的反射。 托勒密 (C.Ptolemaeus,希，约公元100-170) 研究光的折射。著有光学Optics)。从许多方面来看都算是他所有著作中最成功的一部，他在书中提出和说明了各种基本原理，但他对折射的了解似乎是纯经验的。他绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表。2.中世纪: 阿勒.哈增（965-103

3、8）(阿拉伯人)著光学。 荷兰人斯涅耳最早提出折射定律，由法国数学家费马（1601-1665）提出费马原理，予以确定，使几何光学理论很快发展。二、折射定律的建立斯涅耳是一位荷兰的物理学家和数学家，他精于实验与测量。1921年，斯涅耳发现了折射定律：在相同的媒质中，入射角的正弦（sin i）与折射角的正弦（sin r）之比总是保持相同的值。 三、光学仪器的研制 n 1299年，发明了眼镜，意大利人阿玛蒂制造了眼镜。n 1608年，荷兰人李普塞制成第一台望远镜，伽利略改进成放大32倍的望远镜。n几乎与望远镜同时，荷兰人发现制造了显微镜。 四、牛顿对光的色散的研究n1666-1704年间，牛顿用色散

4、原理解释了天界神秘而瑰丽的彩虹。 中国人在公元10世纪，把经日光照射以后的天然透明晶体叫做“五光石”或“放光石”，认识到“就日照之，成五色如虹霓”。这是世界上对光的色散现象的最早认识。它表明人们已经对光的色散现象从神秘中解放出来，知道它是一种自然现象，这是对光的认识的一大进步。比牛顿通过三棱镜把日光分成七色，说明白光是由这七色光复合而成的认识早了七百年。 第二节光的波动说和微粒说的论争 n一、光的微粒说 支持者有珈桑迪和牛顿 1704年，牛顿：“光是一种细微的大小不同的而又迅速运动的粒子。” n二、光的波动学说1.代表人物:、笛卡儿、惠更斯、胡克 “光必然是一种振动。”2.波动说的困境:由于当

5、时没发现光的干涉、衍射等波动现象，使光的波动说难以自圆其说。 惠更斯是荷兰物理学家、天文学家、数学家。是与牛顿同一时代的科学家，是历史上著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律，提出动量守恒原理，改进了计时器。到了十七世纪，科学家们对光学现象进行了研究，他们通过出色的实验工作，奠定了近代物理学的基础。这个时期，曾经发生了一场关于光的本性问题的讨论。 惠更斯在巴黎工作期间曾致力于光学的研究。1678年，他在法国科学院的一次演讲中公开反对了牛顿的光的微粒说。他说，如果光是微粒性的，那么光在交叉时

6、就会因发生碰撞而改变方向。可当时人们并没有发现这现象，而且利用微粒说解释折射现象，将得到与实际相矛盾的结果。因此，惠更斯在1690年出版的光论一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推导出了光的反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石（丹麦的物理学家巴尔多林首先发现）所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。 惠更斯原理是近代光学的一个重要基本理论。但它虽然可以预料光的衍射现象的存在，却不能对这些现象作出解释 ，也就是它可以确定光波的传播方向，而不能确定沿不同方向传播的振动的振幅。因此，惠更斯原理是人类对光

7、学现象的一个近似的认识。直到后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了“惠更斯-菲涅耳原理”，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。 3.19世纪光的波动说的两个英雄1)英国科学家托马斯杨（1773-1829）两岁认字，四岁能读圣经，23岁获医学学位。牛顿反对波动说，光的微粒说在百年中占了上风，波动说几乎销声匿迹。面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的勇敢精神说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”设计了杨氏双缝实验，证明了光的衍射现象。 托马斯。杨通过他的实验完全建立起光的干涉原理，

8、但在当时微粒说占统治地位的情况下，他的工作没有受到科学家的重视。在1801-1804是他光学发现的第一个时期，相反他的学说遇到了嘲笑，出现了攻击他的文章，他遭遇到许多非难。于是，他放弃了光学研究，有12个年头，他把全部时间放在医学和语言学研究上，为考古学作出了贡献。最后，在法国的菲涅耳开始光学实验并特别推崇托马斯.杨的理论时，他才重新恢复他的光学研究。 菲涅耳 2)菲涅耳（1788-1827）：法国工程师。完善了惠更斯理论，提出了子波相干的思想。1818年法国科学院悬赏征文。一是，利用精确的实验确定光线的衍射效应；二是，根据实验，用数学归纳法推求出光线通过物体附近时的运动情况。在阿拉果的鼓励与

9、支持下，菲涅耳向科学院提出了应征论文，他从横波观点出发，圆满地解释了光的偏振，用半周带的方法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹，而且与实验符合得很好。但是，菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子说者的反对，评奖委员会的成员泊松运用菲涅耳的方程推导出关于盘衍射的一个奇怪的结论：如果这些方程是正确的， 那么当把一个小圆盘放在光束中时，就会在小圆盘后面一定距离处的屏幕上盘影的中心点出现一个亮斑；泊松认为这当然是十分荒谬的，所以他宣称已经驳倒了波动理论。菲涅耳和阿拉果接受了这个挑战，立即用实验检验了这个理论预言，非常精彩地证实了这个理论的结论，影子中心的确出现了一个亮斑。在托马斯杨的双缝干涉和

10、泊松亮斑的事实的确证下，光的粒子说开始崩溃了。 菲涅耳的理论泊松的计算阿拉果的实验找到了有利于波动说的泊松亮点。 在菲涅耳39岁的短暂一生中，他对经典光学的波动理论作出了卓越的贡献。 菲涅耳在光学上的科学成就主要有两方面。一是光的衍射，他以惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯菲涅耳原理。另一成就是光的偏振研究。 三、光应具有波粒二相性:n光的波动说无法解释光电效应，但粒子说可以解释。它的思想是爱因斯坦光量子理论的起源。 第三节光谱的研究 一、巴尔末发现氢光谱规律 1.背景:杨的干涉实验提供了测定波长的方法。1814德国物理学家夫琅禾费对太阳光谱也进行了细心的

11、检验。1859德国物理学家基尔霍夫在研究碱金属光谱发现了铯和铷。1868瑞典科学家埃格斯特朗首先找到氢光谱的谱系。 1880 哈更斯和沃格尔成功拍摄恒星的光谱。 2.瑞士科学家巴尔末（1825-1898）的贡献如何从浩繁的光谱资料中找出其中的规律?巴尔末，瑞士的一位中学数学教师，在哈根拜希教授的指点下将氢光谱的规律总结出来，于1884年6月25日正式发表:，n，次年发表了论文。1)由于埃氏对氢谱线的精确测量，提供了氢的可见光部分的四条谱线的精确波长，从中巴尔末提出了一个共同因子： B3645.610-7毫米 。42 2 nnB 2)氢的前四根谱线的波长可以从这一基数，相继乘以系数9/5，4/3

12、，25/21，9/8。初看起来，这四个系数，没有构成规则数列，但如果将第二项与第四项分子、分母分别乘以4，则分子为33，44，55，66，而分母的完全平方相应的差4，这样就出现了 的规律。由于巴尔末公式的发现，光谱成因的神秘大门被打开了，人们研究原子内部结构，又有了一个新的依据，此后光谱规律不断被揭示， 一门新的系统的科学原子光谱学形成了。42 2nn 二、广义巴尔末公式 巴尔末公式发表以后，不少科学家受到进一步的启发和鼓舞。又有人从恒星的光中拍摄到氢光谱，在紫外区的一些光也可从巴尔末公式中将n取7，8等得到。1890年，瑞典人里德伯将氢光谱规律总结为： n，其中R=4/B，被称为里德伯常量。

13、该公式发表在论化学元素线光谱的结构一文中。 22 1211 nR 第四节光速的测定光在真空中的传播速度是一个极其重要的物理量，能否准确测定是物理实验技术水平和理论水平的标志。 一、早期的实验伽利略提出:在已知距离的两个高山峰上，放两盏灯，利用接收灯闪亮的时间去除间距，来测光速，但误差较大。 二、天文学方法丹麦人奥罗斯罗末(1644-1710)于1675年提出。木星有13个卫星， 木卫一是木星的一颗卫星，绕木星旋转一周的时间约42小时28分16秒，因此在地球上看木卫蚀也应是42小时28分16秒一次，但是观测后时间却不一样，原因是两次观测木星与地球的距离不一样，从发出的光信号所传递的空间距离不同。

14、用两次木卫蚀的时间差去除两次木星与地球的距离差，即可求得光速。现代人用此法可测光速为2.99810 8米/秒。 三、地面方法1849年，法国人菲索（1819-1896）用齿轮旋转法测得光速为3.15 108米/秒。他是第一个首次证明光速可以在实验中测得的人。另外，法国人付科、美国人纽克姆等都对光速测定做过贡献。下面介绍阿尔伯特迈克尔逊(1926)旋转棱镜法： 棱镜旋转的转速可以测定，由发光和接收光的时间、棱镜转速和光来回传递距离的数学关系，可以导出光速来。 1907年，他是第一位获诺贝尔物理奖的美国科学家。 第七章现代物理学的兴起 第一节19/20世纪之交的三大发现 江山代有才人出，各领风骚数

15、百年。赵翼（清） 到19世纪末，人们普遍认为物理学已到了十分完善的地步。物理学中一切最主要的规律都已找到，一切最基本的问题都已解决了，已经建立了完整的理论。 这完整的理论包括：以牛顿三定律和万有引力定律为基础的经典力学；以麦克斯韦方程组为基础的电磁场理论；热学方面有以热力学三定律为基础的宏观理论和以分子运动论及统计物理学所描述的微观理论，光是波长介于某一范围之内的电磁波。以上这些理论后来统称为经典物理学或物理学的经典理论。 一、经典物理学的危机经典物理学经过三百多年的发展，到19世纪末已经有了完整的体系，在应用的推广上也硕果累累。英国皇家学会主席、著名物理学家开尔文在1900年的新年献辞有这样

16、一段:“19世纪已经将物理大厦全部建成，今后物理学家只是修饰和完美这所大厦。”开尔文的话代表了不少物理学家的固步自封的思想。接着他又说，在物理学晴朗的天空中还存在着两片小小的乌云，一片是以太理论的困难，另一片是能量均分定理的困难。 然而，正是在这个时候， 物理实验有了重大发现，打破了沉闷的空气，向物理学家的自满情绪提出挑战! 二、神秘之光射线 背景：早在1836年，法拉第就发现了稀薄气体的放电现象。但当时只能获得千分之几个大气压的真空度，因此不能对放电现象作出进一步的研究。后来由于灯泡工业的发展，发展了真空技术，于1856年，由德国工人盖斯勒创制了放电管，这些为研究真空放电现象提供了实验手段。

17、 1859年德国物理学家盖吕克用用放电管做真空放电实验时，发现放电管两端加上高压时，阴极一端出现放射现象。英国物理学家克鲁克斯用他改进的放电管发现了阴极射线在磁场中偏转，从而推断阴极射线是带负电的粒子流。 1.妙手偶得19世纪末，阴极射线的研究正方兴未艾，德国的维尔芝堡大学，治学严谨的伦琴（1845-1923）教授，也致力于这个问题的研究。 1895年，用阴极射线做实验时，发现一包被黑纸包得很严的照相底片全部被感光了。换了一包，几天后一查，又都感了光。他立刻想到，这个现象一定与实验室里增加的阴极射线管有关。1895年11月8日晚，伦琴用黑的厚纸板把阴极射线管子包起来，意外的发现1米以外的荧光屏

18、在闪光，而这绝不是阴极射线，因阴极射线穿不透玻璃，只能行进几厘米远。 伦琴断定这是一种新射线，一种从未曾记载过的东西。伦琴用它拍出了一张肉淡骨浓的手掌照片，他发现这种射线能够穿透厚纸板、木纸板这类薄而轻的物质，但不易穿透金属这类厚而重的物质。他很快意识到这种射线能穿透人的肌肉、骨骼的不同程度，具有巨大的医学价值。他无法命名这种性质未知的新射线，便用X来表示，称为“”射线。 此后，于1896年1月，为了表彰伦琴的功绩，可里可尔教授建议将x射线命名为伦琴射线。 2.对本质的探求伦琴不满足于发现“”光，还想进一步了解其本质。1895年12月28日，向物理医学学会提出:论一种新的射线报告在三个月被印行

19、了五次，第五版同时用英、法、意、俄等文印出。1896年3月送出第二篇论一种新的射线（续）。1897年3月又送出第三篇关于射线性质的进一步观察。 3.伦琴射线发现的意义 伦琴射线的发现，不仅为医学的发展作出了巨大的贡献，而且为进一步探索物质结构之谜提供了很大的便利。由于射线与原子中内层电子的跃迁有关，这说明了物理学还存在亟待搜索的未知领域。 4、严谨的科学态度所结出的丰硕之果 都曾观察到过射线的现象，但未深究，错过了机会。而伦琴善于观察，精心分析，因此他发现了“”光。 伦琴的发现为人类造福不小，面对这一发现和随之而来的巨大收益，伦琴没有想从中获取分文之利。他不仅是位学识渊博的科学家，而且是位具有

20、高尚情操的杰出人物。他拒绝了一切让他申请伦琴射线发明专利权的要求，他认为“科学家的发现和发明属于全世界，他们不应该以任何方式受到专利、特许和合同的羁绊，也不应该受任何集体的控制。” 正因为这样，伦琴射线的应用，特别是在医学方面的应用，迅速传遍全世界，解除了无数患者的痛苦。 由于伦琴的突出贡献，1901年，伦琴获首届诺贝尔物理奖，他是当之无愧的。但他把全部奖金他所在的学校用以发展科研工作。 他是一个把全部精力和全部心血都贡献给全人类的伟人，是科学工作者的楷模。 三、 天然放射性的发现 背景:在伦琴发现X射线后，不少科学家在实验上作了进一步的研究，以对发出射线的机理进行探讨。法国科学家彭加勒（18

21、54-1912年）提出了一个科学家们感兴趣的新问题：既然荧光物质在阴极射线的作用下能够产生X射线，是否大多数荧光物质在太阳光的作用下，也都能够放出类似于X射线的一些射线？ （一）、铀的发现 法国的物理学家A.H.贝克勒尔 (1852-1909)生长在法国巴黎，家庭中有许多学者。祖父和父亲都是固体磷光专家，从事研究工作有60年的历史，贝克勒尔早期从事光学研究，43岁开始研究放射现象。 他精心设计了一个研究方案。他用一张黑纸包好一张感光底片，在底片上放置两小块铀盐和钾盐的混合物。在其中一块和底片间放了一块银元。然后在阳光下放几个小时，结果底片被感光了，底片上留下了银元的像。于是他认为,这是铀盐在太

22、阳的作用下放出了象伦琴射线一样的射线. 在1896.2.24，他向法国科学院做了报告，算是彭加勒所提问题的答案。 但此后，一连几天，不见阳光。等天晴后准备实验时发现，底片已明显感过光了。经过研究他得出结论：含铀的荧光物质不需要其他物质和太阳光的作用，就能不断的自动的放出看不见、穿透力强的射线来。他就在科学院的学术会议上报告了这一发现。 A.H.贝克勒尔进一步发现，所有铀的化合物，不论是不是荧光物质，都能自动发出这种射线。于是，A.H.贝克勒尔首先发现了一种天然的放射性物质.他为这种射线取名为铀射线,而很快被人们认为”贝克勒尔射线”。继伦琴后，他迈出了20世纪物理学的决定性的一步。这是通向原子核

23、研究的第一步。由于他的贡献，1903年，获得诺贝尔物理奖。 在放射性研究的初期，人们对他的危害毫无认识，因此也谈不上防护。 A.H.贝克勒尔长期在毫无防护的条件下从事放射性研究，致使身体受到严重损害，1908年，病情恶化去世。A.H.贝克勒尔是第一位被放射性物质夺取生命的科学家，但他的丰功伟绩，他为科学献身的精神，就象他所发现的放射性物质铀一样，永远放射着光辉。 （二）、钋和镭的发现我追求的是一种创造之乐，这才是永远的幸福。居里夫人1.居里夫人(1867-1934) 波兰中学毕业，获金质奖章，由于波兰当时女子不能上大学，做了8年家庭教师，筹了费用，于1891年到巴黎大学学习。1893年获物理硕

24、士学位。1894年与法国物理学家皮埃尔居里相恋。1903年获诺贝尔物理奖，1911年获诺贝尔化学奖。 2.钋的发现居里夫人认为:不应只有一种元素能自发辐射，其他元素是否也有同样的性质?她进行了艰苦的提炼工作，终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强400倍!1898年7月，为纪念自己的祖国波兰，居里夫人宣布这种元素为“钋”。居里夫人自传中写到:“为达到这样的目的，设备是极其简陋的，我们没有资金，没有适宜的实验室，没有任何帮助，就好像平地起家一样。” 3.镭的发现:1898年12月，居里夫人又宣布发现了镭 (radium) !有人不相信:“镭的原子量是多少?镭在哪里?”铀矿渣非常贵，奥地利送了

25、一吨，在低矮的棚屋里，居里夫妇工作了四年，在1902年，终于从8吨矿渣中提炼出0.1克的镭盐，其放射强度为铀的200多万倍，这种新元素取名为镭。从中找到了两根特征光谱线，并宣布镭的原子量为225!镭的发现，迅速传遍全世界，开始没有太多人注意对放射性的研究，这时一下子在全世界形成了新的热潮。正如彭加勒所说的那样，当“伟大的革命家镭”登上科学舞台时，从根本上震撼了经典物理。 4.科学属于全人类镭可以治狼疮和癌肿，0.1克镭就值75万金法郎!一个美国公司想收买专利，都被生活并不富裕的居里夫妇谢绝了。 他们认为:我们发现了科学，又把它据为己有，这违反科学精神，再说镭能治病，我们就更应该无条件地献出它的

26、秘密!然而，居里夫人由于长期接触放射性物质，患上了恶性贫血症，她的丈夫和战友居里1906年死于车祸，居里夫人在精神打击和身体折磨的双重压力下，仍然初衷不改，献身于科学事业。她的高风亮节，赢得了人们的敬重。 （三）、射线的发现由于镭的引人瞩目的放射性，卢瑟福等科学家对镭的放射性进行了研究。1.卢瑟福（1871-1937），新西兰的科学家。他被新发现的放射性迷住了。他想弄清楚这些的本质，同样用不同的放射性元素发出的射线通过磁场与电场的方法来研究这些问题。通过实验他发现了：射线（即氦核的离子流）射线（即高速的负电离子流） 2.法国人化学家维拉德：发现射线中还有一种不带电的、穿透本领很大的射线，命名为

27、射线。 四、 发现电子的JJ汤姆逊背景:早在1834年,法拉第发现电解定律时,就已初步揭示出电可能是颗粒的东西. 1862年,德国物理学家韦伯(1804-1891)在电解实验的基础上,提出电流是带电离子流动的假说,发展了电原子结构的思想. 1879年,克鲁克斯通过实验提出了阴极射线是带负电的粒子流,这已成了电子学说的萌芽. 1890年爱尔兰物理学家斯通尼(1826-1911)第一次提出电子这个名称,用来表示电荷的单位. （一）、电子的发现 当时的卡文迪许实验室,在J.J.汤姆逊的领导下,带领一批研究生,如卢瑟福,威尔逊等,他们设法用实验来研究阴极射线的本领. J.J.汤姆逊首先用实验证明了阴极

28、射线是阴极发射出来的.然后他又重做了早在1893年赫兹做过阴极射线在静电场偏转的实验.于是他得出:偏转的方向表明,形成阴极射线的那些粒子是带负电的.最后他通过实验得出:(1)原子是不可分割的,因为借助于电力的作用,快速运动原子的碰撞,紫外线或热的作用均能从原子里扯出带负电的粒子. (2)这些粒子具有相同的质量并带有相同的负电荷,无论它是哪一种原子里得到的.并且它们是一切原子的一个组成部分.(3)这些粒子的质量小于一个氢原子质量的千分之一.后来J.J.汤姆逊认为把这种粒子称为”电子”比较合适. J.J.汤姆逊发现了电子,第一次发表于1897.4.30的一次报告会上,但没有得到与会者的认同,更谈不

29、上对它重要意义的认识了.直到1889年,J.J.汤姆逊又明确提出电子的发现,才逐渐引起重视. 二、意义1.宣告了原子是可分的。2.为进行电子和原子的研究开创了新的实验技术。JJ汤姆逊于1906年获诺贝尔奖。 三、原子核物理学的兴起原子核物理学起源于放射性的研究!1896-1932年，是核物理学的前期，1933年中子发现，核物理学诞生，核能的开发利用，大大促进了核物理和高能物理的发展。从1895到1897年，出现的三大发现，揭开了物理学革命的序幕，给予物理学界的刺激是兴奋的，它标志着物理学的研究由宏观进入到微观。尽管充满着疑惑和争论，但也预示着希望。列宁曾谈到，现代物理学是在临产中，它正在产生辩证唯物主义。