經(jīng)典光學的形成課件

第六章經(jīng)典光學的形成第一節(jié)幾何光學的完善一、早期的光學研究

1.古代光學:基本上停留在幾何光學的研究和總結(jié)上。

公元前5世紀《墨經(jīng)》以8條文字連續(xù)記載了光學問題：影子生成的道理；光線與影子的關(guān)系；光線直線行進實驗；光反射特性；從物體與光源相對地位關(guān)系確定影子的大??；平面鏡反射現(xiàn)象；凹面鏡反射現(xiàn)象；凸面鏡反射現(xiàn)象。墨家認為：“人以目見，而目以火見”《墨經(jīng)》在光學史上占有重要的地位,它是世界上最早的比較完整的幾何光學著作。

北宋時期沈括在《夢溪筆談》卷3中寫道：“陽燧面洼，向日照之，光皆聚向內(nèi)。離鏡一二寸，光聚為一點大如麻菽，著物則火發(fā)，此即腰鼓最細處”。這是關(guān)于凹面鏡焦點最早是明確描述。歐洲到1267年培根才發(fā)現(xiàn)凹面鏡的焦點。古希臘歐幾里德(Euclid，約公元前330-275）研究光的反射。阿拉伯人到11世紀才發(fā)現(xiàn)小孔成像并加以解釋。

托勒密(C.Ptolemaeus,希，約公元100-170)研究光的折射。著有《光學》Optics)。從許多方面來看都算是他所有著作中最成功的一部，他在書中提出和說明了各種基本原理，但他對折射的了解似乎是純經(jīng)驗的。他繪出了光線以各種入射角從光疏媒介進入水的折射表。2.中世紀:阿勒.哈增（965-1038）(阿拉伯人)著《光學》。荷蘭人斯涅耳最早提出折射定律，由法國數(shù)學家費馬（1601-1665）提出費馬原理，予以確定，使幾何光學理論很快發(fā)展。二、折射定律的建立斯涅耳是一位荷蘭的物理學家和數(shù)學家，他精于實驗與測量。1921年，斯涅耳發(fā)現(xiàn)了折射定律：在相同的媒質(zhì)中，入射角的正弦（sini）與折射角的正弦（sinr）之比總是保持相同的值。三、光學儀器的研制

1299年，發(fā)明了眼鏡，意大利人阿瑪?shù)僦圃炝搜坨R。1608年，荷蘭人李普塞制成第一臺望遠鏡，伽利略改進成放大32倍的望遠鏡。幾乎與望遠鏡同時，荷蘭人發(fā)現(xiàn)制造了顯微鏡。中國人在公元10世紀，把經(jīng)日光照射以后的天然透明晶體叫做“五光石”或“放光石”，認識到“就日照之，成五色如虹霓”。這是世界上對光的色散現(xiàn)象的最早認識。它表明人們已經(jīng)對光的色散現(xiàn)象從神秘中解放出來，知道它是一種自然現(xiàn)象，這是對光的認識的一大進步。比牛頓通過三棱鏡把日光分成七色，說明白光是由這七色光復合而成的認識早了七百年。第二節(jié)光的波動說和微粒說的論爭一、光的微粒說

支持者有珈桑迪和牛頓1704年，牛頓：“光是一種細微的大小不同的而又迅速運動的粒子?！?/p>

二、光的波動學說1.代表人物:、笛卡兒、惠更斯、胡克“光必然是一種振動?！?.波動說的困境:由于當時沒發(fā)現(xiàn)光的干涉、衍射等波動現(xiàn)象，使光的波動說難以自圓其說?；莞乖诎屠韫ぷ髌陂g曾致力于光學的研究。1678年，他在法國科學院的一次演講中公開反對了牛頓的光的微粒說。他說，如果光是微粒性的，那么光在交叉時就會因發(fā)生碰撞而改變方向?？僧敃r人們并沒有發(fā)現(xiàn)這現(xiàn)象，而且利用微粒說解釋折射現(xiàn)象，將得到與實際相矛盾的結(jié)果。因此，惠更斯在1690年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基礎(chǔ)上，他推導出了光的反射和折射定律，圓滿的解釋了光速在光密介質(zhì)中減小的原因，同時還解釋了光進入冰洲石（丹麥的物理學家巴爾多林首先發(fā)現(xiàn)）所產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象，認為這是由于冰洲石分子微粒為橢圓形所致。

惠更斯原理是近代光學的一個重要基本理論。但它雖然可以預料光的衍射現(xiàn)象的存在，卻不能對這些現(xiàn)象作出解釋，也就是它可以確定光波的傳播方向，而不能確定沿不同方向傳播的振動的振幅。因此，惠更斯原理是人類對光學現(xiàn)象的一個近似的認識。直到后來，菲涅耳對惠更斯的光學理論作了發(fā)展和補充，創(chuàng)立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才較好地解釋了衍射現(xiàn)象，完成了光的波動說的全部理論。3.19世紀光的波動說的兩個英雄1)英國科學家托馬斯·楊（1773-1829）兩歲認字，四歲能讀圣經(jīng)，23歲獲醫(yī)學學位。牛頓反對波動說，光的微粒說在百年中占了上風，波動說幾乎銷聲匿跡。面對牛頓如日中天的氣勢，楊以不唯名的勇敢精神說：“盡管我仰慕牛頓的大名，但我并因此非得認為他是百無一失的。我遺憾地看到他也會弄錯，而他的權(quán)威也許有時甚至阻礙了科學的進步?！痹O(shè)計了楊氏雙縫實驗，證明了光的衍射現(xiàn)象。

菲涅耳2)菲涅耳（1788-1827）：法國工程師。完善了惠更斯理論，提出了子波相干的思想。1818年法國科學院懸賞征文。一是，利用精確的實驗確定光線的衍射效應；二是，根據(jù)實驗，用數(shù)學歸納法推求出光線通過物體附近時的運動情況。在阿拉果的鼓勵與支持下，菲涅耳向科學院提出了應征論文，他從橫波觀點出發(fā)，圓滿地解釋了光的偏振，用半周帶的方法定量地計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產(chǎn)生的衍射花紋，而且與實驗符合得很好。但是，菲涅耳的波動理論遭到了光的粒子說者的反對，評獎委員會的成員泊松運用菲涅耳的方程推導出關(guān)于盤衍射的一個奇怪的結(jié)論：如果這些方程是正確的，

那么當把一個小圓盤放在光束中時，就會在小圓盤后面一定距離處的屏幕上盤影的中心點出現(xiàn)一個亮斑；泊松認為這當然是十分荒謬的，所以他宣稱已經(jīng)駁倒了波動理論。菲涅耳和阿拉果接受了這個挑戰(zhàn)，立即用實驗檢驗了這個理論預言，非常精彩地證實了這個理論的結(jié)論，影子中心的確出現(xiàn)了一個亮斑。在托馬斯．楊的雙縫干涉和泊松亮斑的事實的確證下，光的粒子說開始崩潰了。菲涅耳的理論——泊松的計算——阿拉果的實驗找到了有利于波動說的泊松亮點。在菲涅耳39歲的短暫一生中，他對經(jīng)典光學的波動理論作出了卓越的貢獻。三、光應具有波粒二相性:光的波動說無法解釋光電效應，但粒子說可以解釋。它的思想是愛因斯坦光量子理論的起源。第三節(jié)光譜的研究一、巴爾末發(fā)現(xiàn)氫光譜規(guī)律1.背景:楊的干涉實驗提供了測定波長的方法。1814——>德國物理學家夫瑯禾費對太陽光譜也進行了細心的檢驗。1859——>德國物理學家基爾霍夫在研究堿金屬光譜發(fā)現(xiàn)了銫和銣。1868——>瑞典科學家埃格斯特朗首先找到氫光譜的譜系。1880——>哈更斯和沃格爾成功拍攝恒星的光譜。2)氫的前四根譜線的波長可以從這一基數(shù)，相繼乘以系數(shù)9/5，4/3，25/21，9/8。初看起來，這四個系數(shù)，沒有構(gòu)成規(guī)則數(shù)列，但如果將第二項與第四項分子、分母分別乘以4，則分子為3×3，4×4，5×5，6×6，而分母的完全平方相應的差4，這樣就出現(xiàn)了的規(guī)律。由于巴爾末公式的發(fā)現(xiàn)，光譜成因的神秘大門被打開了，人們研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又有了一個新的依據(jù)，此后光譜規(guī)律不斷被揭示，一門新的系統(tǒng)的科學——原子光譜學形成了。二、廣義巴爾末公式

巴爾末公式發(fā)表以后，不少科學家受到進一步的啟發(fā)和鼓舞。又有人從恒星的光中拍攝到氫光譜，在紫外區(qū)的一些光也可從巴爾末公式中將n取7，8……等得到。1890年，瑞典人里德伯將氫光譜規(guī)律總結(jié)為：

n＝３，４，５……其中R=4/B，被稱為里德伯常量。該公式發(fā)表在《論化學元素線光譜的結(jié)構(gòu)》一文中。第四節(jié)

光速的測定光在真空中的傳播速度是一個極其重要的物理量，能否準確測定是物理實驗技術(shù)水平和理論水平的標志。二、天文學方法丹麥人奧羅斯·羅末(1644-1710)于1675年提出。木星有13個衛(wèi)星，木衛(wèi)一是木星的一顆衛(wèi)星，繞木星旋轉(zhuǎn)一周的時間約42小時28分16秒，因此在地球上看木衛(wèi)蝕也應是42小時28分16秒一次，但是觀測后時間卻不一樣，原因是兩次觀測木星與地球的距離不一樣，從發(fā)出的光信號所傳遞的空間距離不同。用兩次木衛(wèi)蝕的時間差去除兩次木星與地球的距離差，即可求得光速?，F(xiàn)代人用此法可測光速為2.998×108米/秒。三、地面方法1849年，法國人菲索（1819-1896）用齒輪旋轉(zhuǎn)法測得光速為3.15×108米/秒。他是第一個首次證明光速可以在實驗中測得的人。另外，法國人付科、美國人紐克姆等都對光速測定做過貢獻。下面介紹阿爾伯特·邁克爾遜(1926)旋轉(zhuǎn)棱鏡法：

棱鏡旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速可以測定，由發(fā)光和接收光的時間、棱鏡轉(zhuǎn)速和光來回傳遞距離的數(shù)學關(guān)系，可以導出光速來。1907年，他是第一位獲諾貝爾物理獎的美國科學家。第七章現(xiàn)代物理學的興起第一節(jié)19/20世紀之交的三大發(fā)現(xiàn)江山代有才人出，各領(lǐng)風騷數(shù)百年。

——趙翼（清）

到19世紀末，人們普遍認為物理學已到了十分完善的地步。物理學中一切最主要的規(guī)律都已找到，一切最基本的問題都已解決了，已經(jīng)建立了完整的理論。這完整的理論包括：以牛頓三定律和萬有引力定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學；以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)的電磁場理論；熱學方面有以熱力學三定律為基礎(chǔ)的宏觀理論和以分子運動論及統(tǒng)計物理學所描述的微觀理論，光是波長介于某一范圍之內(nèi)的電磁波。以上這些理論后來統(tǒng)稱為經(jīng)典物理學或物理學的經(jīng)典理論。一、經(jīng)典物理學的危機經(jīng)典物理學經(jīng)過三百多年的發(fā)展，到19世紀末已經(jīng)有了完整的體系，在應用的推廣上也碩果累累。

英國皇家學會主席、著名物理學家開爾文在1900年的新年獻辭有這樣一段:“19世紀已經(jīng)將物理大廈全部建成，今后物理學家只是修飾和完美這所大廈?！遍_爾文的話代表了不少物理學家的固步自封的思想。

接著他又說，在物理學晴朗的天空中還存在著兩片小小的烏云，一片是以太理論的困難，另一片是能量均分定理的困難。然而，正是在這個時候，物理實驗有了重大發(fā)現(xiàn)，打破了沉悶的空氣，向物理學家的自滿情緒提出挑戰(zhàn)!二、神秘之光——Ｘ射線背景：早在1836年，法拉第就發(fā)現(xiàn)了稀薄氣體的放電現(xiàn)象。但當時只能獲得千分之幾個大氣壓的真空度，因此不能對放電現(xiàn)象作出進一步的研究。后來由于燈泡工業(yè)的發(fā)展，發(fā)展了真空技術(shù)，于1856年，由德國工人蓋斯勒創(chuàng)制了放電管，這些為研究真空放電現(xiàn)象提供了實驗手段。1859年德國物理學家蓋呂克用用放電管做真空放電實驗時，發(fā)現(xiàn)放電管兩端加上高壓時，陰極一端出現(xiàn)放射現(xiàn)象。英國物理學家克魯克斯用他改進的放電管發(fā)現(xiàn)了陰極射線在磁場中偏轉(zhuǎn)，從而推斷陰極射線是帶負電的粒子流。1.妙手偶得19世紀末，陰極射線的研究正方興未艾，德國的維爾芝堡大學，治學嚴謹?shù)膫惽伲?845-1923）教授，也致力于這個問題的研究。1895年，用陰極射線做實驗時，發(fā)現(xiàn)一包被黑紙包得很嚴的照相底片全部被感光了。換了一包，幾天后一查，又都感了光。他立刻想到，這個現(xiàn)象一定與實驗室里增加的陰極射線管有關(guān)。1895年11月8日晚，倫琴用黑的厚紙板把陰極射線管子包起來，意外的發(fā)現(xiàn)1米以外的熒光屏在閃光，而這絕不是陰極射線，因陰極射線穿不透玻璃，只能行進幾厘米遠。

倫琴斷定這是一種新射線，一種從未曾記載過的東西。倫琴用它拍出了一張肉淡骨濃的手掌照片，他發(fā)現(xiàn)這種射線能夠穿透厚紙板、木紙板這類薄而輕的物質(zhì)，但不易穿透金屬這類厚而重的物質(zhì)。他很快意識到這種射線能穿透人的肌肉、骨骼的不同程度，具有巨大的醫(yī)學價值。他無法命名這種性質(zhì)未知的新射線，便用X來表示，稱為“Ｘ”射線。此后，于1896年1月，為了表彰倫琴的功績，可里可爾教授建議將x射線命名為倫琴射線。2.對本質(zhì)的探求倫琴不滿足于發(fā)現(xiàn)“Ｘ”光，還想進一步了解其本質(zhì)。1895年12月28日，向物理醫(yī)學學會提出:《論一種新的射線》報告在三個月被印行了五次，第五版同時用英、法、意、俄等文印出。1896年3月送出第二篇——《論一種新的射線（續(xù)）》。1897年3月又送出第三篇——《關(guān)于Ｘ射線性質(zhì)的進一步觀察》。3.倫琴射線發(fā)現(xiàn)的意義倫琴射線的發(fā)現(xiàn)，不僅為醫(yī)學的發(fā)展作出了巨大的貢獻，而且為進一步探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎提供了很大的便利。由于Ｘ射線與原子中內(nèi)層電子的躍遷有關(guān)，這說明了物理學還存在亟待搜索的未知領(lǐng)域。

4、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度所結(jié)出的豐碩之果

都曾觀察到過Ｘ射線的現(xiàn)象，但未深究，錯過了機會。而倫琴善于觀察，精心分析，因此他發(fā)現(xiàn)了“Ｘ”光。倫琴的發(fā)現(xiàn)為人類造福不小，面對這一發(fā)現(xiàn)和隨之而來的巨大收益，倫琴沒有想從中獲取分文之利。他不僅是位學識淵博的科學家，而且是位具有高尚情操的杰出人物。他拒絕了一切讓他申請倫琴射線發(fā)明專利權(quán)的要求，他認為“科學家的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明屬于全世界，他們不應該以任何方式受到專利、特許和合同的羈絆，也不應該受任何集體的控制?！闭驗檫@樣，倫琴射線的應用，特別是在醫(yī)學方面的應用，迅速傳遍全世界，解除了無數(shù)患者的痛苦。由于倫琴的突出貢獻，1901年，倫琴獲首屆諾貝爾物理獎，他是當之無愧的。但他把全部獎金他所在的學校用以發(fā)展科研工作。他是一個把全部精力和全部心血都貢獻給全人類的偉人，是科學工作者的楷模。三、天然放射性的發(fā)現(xiàn)背景:在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，不少科學家在實驗上作了進一步的研究，以對發(fā)出射線的機理進行探討。法國科學家彭加勒（1854-1912年）提出了一個科學家們感興趣的新問題：既然熒光物質(zhì)在陰極射線的作用下能夠產(chǎn)生X射線，是否大多數(shù)熒光物質(zhì)在太陽光的作用下，也都能夠放出類似于X射線的一些射線？（一）、鈾的發(fā)現(xiàn)

法國的物理學家A.H.貝克勒爾(1852-1909)生長在法國巴黎，家庭中有許多學者。祖父和父親都是固體磷光專家，從事研究工作有60年的歷史，貝克勒爾早期從事光學研究，43歲開始研究放射現(xiàn)象。他精心設(shè)計了一個研究方案。他用一張黑紙包好一張感光底片，在底片上放置兩小塊鈾鹽和鉀鹽的混合物。在其中一塊和底片間放了一塊銀元。然后在陽光下放幾個小時，結(jié)果底片被感光了，底片上留下了銀元的像。于是他認為,這是鈾鹽在太陽的作用下放出了象倫琴射線一樣的射線.在1896.2.24，他向法國科學院做了報告，算是彭加勒所提問題的答案。但此后，一連幾天，不見陽光。等天晴后準備實驗時發(fā)現(xiàn)，底片已明顯感過光了。經(jīng)過研究他得出結(jié)論：含鈾的熒光物質(zhì)不需要其他物質(zhì)和太陽光的作用，就能不斷的自動的放出看不見、穿透力強的射線來。他就在科學院的學術(shù)會議上報告了這一發(fā)現(xiàn)。A.H.貝克勒爾進一步發(fā)現(xiàn)，所有鈾的化合物，不論是不是熒光物質(zhì)，都能自動發(fā)出這種射線。于是，A.H.貝克勒爾首先發(fā)現(xiàn)了一種天然的放射性物質(zhì).他為這種射線取名為鈾射線,而很快被人們認為”貝克勒爾射線”。繼倫琴后，他邁出了20世紀物理學的決定性的一步。這是通向原子核研究的第一步。由于他的貢獻，1903年，獲得諾貝爾物理獎。在放射性研究的初期，人們對他的危害毫無認識，因此也談不上防護。A.H.貝克勒爾長期在毫無防護的條件下從事放射性研究，致使身體受到嚴重損害，1908年，病情惡化去世。A.H.貝克勒爾是第一位被放射性物質(zhì)奪取生命的科學家，但他的豐功偉績，他為科學獻身的精神，就象他所發(fā)現(xiàn)的放射性物質(zhì)鈾一樣，永遠放射著光輝。（二）、釙和鐳的發(fā)現(xiàn)

我追求的是一種創(chuàng)造之樂，這才是永遠的幸福?！永锓蛉?.居里夫人(1867-1934)波蘭中學畢業(yè)，獲金質(zhì)獎章，由于波蘭當時女子不能上大學，做了8年家庭教師，籌了費用，于1891年到巴黎大學學習。1893年獲物理碩士學位。1894年與法國物理學家皮埃爾·居里相戀。1903年獲諾貝爾物理獎，1911年獲諾貝爾化學獎。

2.釙的發(fā)現(xiàn)居里夫人認為:不應只有一種元素能自發(fā)輻射，其他元素是否也有同樣的性質(zhì)?她進行了艱苦的提煉工作，終于從鈾礦渣中提煉出了釙，它比純鈾放射性強400倍!1898年7月，為紀念自己的祖國波蘭，居里夫人宣布這種元素為“釙”。居里夫人自傳中寫到:“為達到這樣的目的，設(shè)備是極其簡陋的，——我們沒有資金，沒有適宜的實驗室，沒有任何幫助，就好像平地起家一樣?！?.鐳的發(fā)現(xiàn):1898年12月，居里夫人又宣布發(fā)現(xiàn)了鐳(radium)!有人不相信:“鐳的原子量是多少?鐳在哪里?”鈾礦渣非常貴，奧地利送了一噸，在低矮的棚屋里，居里夫婦工作了四年，在1902年，終于從8噸礦渣中提煉出0.1克的鐳鹽，其放射強度為鈾的200多萬倍，這種新元素取名為鐳。從中找到了兩根特征光譜線，并宣布鐳的原子量為225!鐳的發(fā)現(xiàn)，迅速傳遍全世界，開始沒有太多人注意對放射性的研究，這時一下子在全世界形成了新的熱潮。正如彭加勒所說的那樣，當“偉大的革命家鐳”登上科學舞臺時，從根本上震撼了經(jīng)典物理。4.科學屬于全人類鐳可以治狼瘡和癌腫，0.1克鐳就值75萬金法郎!一個美國公司想收買專利，都被生活并不富裕的居里夫婦謝絕了。他們認為:我們發(fā)現(xiàn)了科學，又把它據(jù)為己有，這違反科學精神，再說鐳能治病，我們就更應該無條件地獻出它的秘密!然而，居里夫人由于長期接觸放射性物質(zhì)，患上了惡性貧血癥，她的丈夫和戰(zhàn)友居里1906年死于車禍，居里夫人在精神打擊和身體折磨的雙重壓力下，仍然初衷不改，獻身于科學事業(yè)。她的高風亮節(jié)，贏得了人們的敬重。（三）、α、β、γ射線的發(fā)現(xiàn)由于鐳的引人矚目的放射性，盧瑟福等科學家對鐳的放射性進行了研究。1.盧瑟福（1871-1937），新西蘭的科學家。他被新發(fā)現(xiàn)的放射性迷住了。他想弄清楚這些的本質(zhì)，同樣用不同的放射性元素發(fā)出的射線通過磁場與電場的方法來研究這些問題。通過實驗他發(fā)現(xiàn)了：α射線（即氦核的離子流）β射線（即高速的負電離子流）2.法國人化學家維拉德：發(fā)現(xiàn)射線中還有一種不帶電的、穿透本領(lǐng)很大的射線，命名為γ射線。四、發(fā)現(xiàn)電子的—J·J·湯姆遜背景:早在1834年,法拉第發(fā)現(xiàn)電解定律時,就已初步揭示出電可能是顆粒的東西.1862年,德國物理學家韋伯(1804-1891)在電解實驗的基礎(chǔ)上,提出電流是帶電離