(2.4)-3.撲朔迷離的光現(xiàn)象

物理學史光學發(fā)展史要求：1.古代哪些國家對光學做出貢獻，最早的是哪個國家？2.望眼鏡、顯微鏡、光的折射定律、光的色散、光的本質(zhì)的研究都哪些科學家做出貢獻？3.波動光學的建立中哪些科學家做出貢獻？4.光速測定過程5.光譜的研究光學發(fā)展簡史幾何光學波動光學量子光學近代光學3光學形成基礎(chǔ)幾何光學的建立1.概述：（1）時間：約公元前500年～公元1600年（2）特點：方法--直觀感受和簡單實驗，迷茫中摸索、緩慢前進

（3）成就：反射定律，面鏡、透鏡的發(fā)明與應(yīng)用一、萌芽時期——早期史2.我國光學史（1）春秋戰(zhàn)國時期的墨翟（公元前468－376）的《墨經(jīng)》積累了關(guān)于光的直進、折射、反射、小孔成像、凹凸面鏡等光學知識（2）宋代的沈括（1031—1095）在《夢溪筆談》中，記載了極為豐富的幾何光學知識。（3）元代的趙友欽（1279—1368）著有《革象新書》，書中記有“小罅光景”的大型光學實驗，其中討論了物體表面照度與光源發(fā)光強度以及距離之間的關(guān)系。3.古希臘對光學的研究（1）歐幾里德（古希臘，公元前330—275）也提出了光的直線傳播性，在《光學》一書中主張光的觸覺說（柏拉圖等），畢達哥拉斯、德莫克利特等主張物體的發(fā)射說。（2）公元二世紀，托勒密（希臘人，公元70－147）研究了折射現(xiàn)象，著有《光學》，書中記載光由空氣進入水折射角和入射角成正比。

光學之父，1015年出版7卷《光學全書》中研究了：（1）眼睛的結(jié)構(gòu)，如“網(wǎng)膜”“角膜”“玻璃狀體”“前房液”等術(shù)語（2）認為視覺是光線從物體發(fā)出進入人眼所致（3）認為光的入射線、反射線和法線都在一個平面內(nèi)（4）研究了球面鏡、拋物鏡成像問題（5）發(fā)明了凸透鏡，并對它進行了實驗研究，所得的結(jié)果接近于近代關(guān)于凸透鏡的理論。（6）解釋了太陽、月亮在地平線附近看似較大的原因。4.阿拉伯人：阿勒—哈增（965—1038）（伊本·海賽姆）（3）1299年，阿瑪?shù)伲ㄊ兰o）發(fā)明了眼鏡因此到15世紀和16世紀紀，凹面鏡，凸面鏡，眼鏡透鏡等光學元件已相繼出現(xiàn)羅吉爾.培根曾經(jīng)論述過制作折射望遠鏡的可行性。5.歐洲人的研究工作（1）1278年威廉.馮.莫爾貝,將阿勒.哈增的著作翻譯（2）在歐洲建立了牛津大學(1168)、劍橋大學(1209)、

巴黎大學(1253)和波倫亞大學羅吉爾?培根（約1214--1294）英國13世紀杰出的科學家。大膽同迷信、反動教會作斗爭，是近代自然科學的先驅(qū)。他提倡：①倡導(dǎo)實驗方法研究自然他是當時唯一旗幟鮮明地主張科學實驗的人。通過實驗培根發(fā)現(xiàn)了火藥的成分；發(fā)明了暗室；用光線在雨滴中的折射解釋了虹的成因；提出用平凸透鏡制成望遠鏡的設(shè)想；研究過蒸汽的作用，并預(yù)言可以造出不用人力漿的航船，不用馬拉的自動行駛的車，以及能在天上飛行的裝置等。②重視對數(shù)學的研究實驗方法和數(shù)學方法相結(jié)合是近代物理學產(chǎn)生的重要支柱。這種方法在西方始于阿基米德，經(jīng)培根提到原則的高度，預(yù)示著近代科學即將誕生。

培根的思想遠遠超過了他的時代，并寫了很多著作。由于培根的科學思想為當時的教會所不容，在教會的嚴格監(jiān)視下，培根在巴黎寺院里生活了10年，后來又被關(guān)進監(jiān)獄14年之久，出獄后兩年便與世長辭。他的主要著作《大著作》、《小著作》、《第三著作》等也沒有流傳，只有其中一小部分以手抄本的形式保留下來。二、幾何光學時期1.概述：（1）時間：17世紀初～18世紀末（2）特點：是光學發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點，是光學系統(tǒng)研究的真正起點，出現(xiàn)了較成型的理論。（3）成就：建立了光的反射定律和折射定律望遠鏡、顯微鏡的發(fā)明，開始對光的本質(zhì)的研究。（4）代表人物：牛頓—微粒說認為光是在空間按一定方向旋轉(zhuǎn)的微粒流?；莞埂耙蕴闭f，認為是在“以太”介質(zhì)中傳遞的波2.光學儀器：（1）李普塞（HansLippershey，1587－1619）荷蘭人，制作了第一架望遠鏡，促進了天文學和航海事業(yè)的發(fā)展（2）延森（1588—1632）和馮特納（1580－1656）最早制作了復(fù)合顯微鏡，為生物學的研究提供了強有力的工具。（3）1609年，伽里略（意大利人，1564—1642）制造了用凸透鏡做物鏡，用凹透鏡做目鏡的伽里略望遠鏡。他的不朽的功勛之一是第一個把望遠鏡指向天空，當時的目的是為了證實哥白尼（波蘭人。1473—1543）的日心說。（4）開普勒（德國人，1571—1630）匯集前人的光學知識，于1611年發(fā)表了《屈光學》一書。書中記載：他研究了折射現(xiàn)象，斷定托勒密關(guān)于折射定現(xiàn)的結(jié)論并不正確（5）反射式望遠鏡

1668年牛頓第一個設(shè)計并制作了反射式望遠鏡（長6英寸，直徑1英寸，放大倍數(shù)30—40）

1672年牛頓制作了更大的送給皇家學會

羅馬耶穌會會員祖基和墨森最早設(shè)計，但沒有完成（1）早期：

托勒密（公元100—170）在《光論》論述折射角與入射角成正比

大約過了一千年，阿勒·哈增認識到入射線、反射線和反光鏡的法線總是在同一平面，入射線與反射線各處于法線的一側(cè)。

1611年，開普勒在系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，寫了《折光學》一書，書中記載他的實驗，雖然沒有找到正確的折射定律表達式，但通過這些實驗發(fā)現(xiàn)了全反射3.折射定律的建立（2）建立：

1621年斯涅耳（荷蘭人，1591－1626）從實際測量中抽象得出（這一定律的表述是在斯涅耳去世后，惠更斯于1626年在他的遣稿中找到的）

苗卡兒（法國人，1596—1650），從光的微粒觀念（他傾向于光的波動說推導(dǎo)出折射定律的。在1637年出版的《折光學》一書中，他第一個正式公布具有現(xiàn)代形式的折射定律，把余割之比換成了正弦之比。（3）完善費馬（法國人，1601一1665）在1657年，提出費馬原理原理，推導(dǎo)出光的反射定律和折射定律。（1）概述：牛頓在1704年出版的《光學---論光的反射、折射、彎曲和顏色》一書中，書中描述了他所做過的實驗和所得出的結(jié)論。（2）起因：1666年，牛頓（I.Newton，1642—1727）用三棱鏡作色散實驗，他為了改善望遠鏡頭而磨制三棱鏡，從而發(fā)現(xiàn)了色散現(xiàn)象。證明了白光是由各種色光復(fù)合而成的4.光的色散現(xiàn)象的研究（3）牛頓紙板實驗斷定蘭光折射得比紅光更厲害些，并得出透鏡聚光時，蘭光和紅光一定是聚集在離透鏡不同的距離上。（4）說明：（1）亞里士多德的觀點

顏色是人們主觀的感覺

顏色都是白與黑按光的比例混合的結(jié)果。

白色陽光彩色玻璃窗之后變得五顏六色，是被染了色（2）牛頓的解釋不同顏色的光線具有不同的折射本領(lǐng)，被牛頓用來解釋虹的成因。牛頓根據(jù)實驗結(jié)果，也提出了錯誤的看法，他斷定透鏡成象存在根本的缺點，即不能形成清晰的物象5.光的本性（1）波動說：

笛卡兒的觀點：主張波動說，認為光本質(zhì)是一種壓力，在以太中傳遞，速度無限大。但他卻又用小球的運動來解釋光的反射和折射。

胡克的貢獻：在《顯微術(shù)》一書，主張“光是一種振動”。并根據(jù)云母片的薄膜干涉現(xiàn)象作出判斷，認為光是類似水波的某種快速脈沖胡克提出：發(fā)光是說明“運動的部分”返回來了。提出這種運動不可能是圓運動，球狀運動，其他的不規(guī)則運動?！八且环N很短的振動”胡克也觀察到了衍射現(xiàn)象，并和玻義耳（英國人，1627—1691）獨立地研究了薄膜所產(chǎn)生的彩色干涉條紋。是波動光學的萌芽。包含有波前、波面的概念。并把有關(guān)波面的思想用于對光的折射現(xiàn)象的研究，然后又討論了薄膜的顏色。從強光和弱光的超前；落后來說明光的顏色。這種想法雖然是不正確的，但是他卻接觸到薄膜干涉的基本要領(lǐng)—前后兩面上反射光的疊加，可以說，這已經(jīng)包含了兩束光的位相差的初步概念。

惠更斯（荷蘭人，1629一1695）的工作：發(fā)展了胡克的思想。他進一步提出光是發(fā)光體中微小粒子的振動在彌漫于宇宙空間的以太中的傳播過程，光的傳播方式與聲音類似1690年出版的一部書《論光》。他還把光的傳播方式和聲音在空氣中的傳播作比較，明確地提出關(guān)于光是一種波動的想法。又根據(jù)光速的有限性論證了光是從煤質(zhì)的一部分依次向其他部分傳播的一種運動。它和聲波、水波一樣是球面波?；莞箯墓馐遣▌拥膫鞑ミ@一觀念出發(fā)，提出了惠更斯原理惠更斯利用波動說和繪制波前圖的方法，很好的解釋了反射、折射以及方解石的雙折射現(xiàn)象。提出尋常光線的波面是通常的球面，而非常光線的波面是一個橢球面的思想。當用惠更斯的波動說解釋光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象時卻遇到了困難?；莞沟牟▌诱f是不夠完善的，他所謂的波看來只是一種脈沖。又認為它是一種縱波。也沒有建立起波的周期性的概念。（2）粒子說：

牛頓對波動說的反對第一：他認為光的波動說不能很好地說明光的直線傳播第二，波動說不能解釋偏振現(xiàn)象。第三：對“以太”的懷疑，他寫道：“對于天空為流體媒質(zhì)（除非它們非常稀?。┧顫M的那種主張，一個最大的反對理由在于行星和彗星在天空中各種軌道上的運動是那樣地有規(guī)則和持久。

牛頓的觀點傾向于微粒說，認為光可能是微粒流，這些微粒從光源飛出，在真空或均勻媒質(zhì)中作慣性運動但在研究牛頓環(huán)時，卻認識到了光的周期性，使他把微粒說和以太振動的思想結(jié)合起來，對干涉條紋作出了自己的解釋?？梢?，不論是笛卡兒還是牛頓，都沒有對光的本性作出肯定的判斷。

十七世紀還討論了另一個問題，即“是不是有一個有限的光速？”笛卡兒采取否定的態(tài)度，而伽里略是肯定的。在整個十八世紀，光學幾乎沒有什么發(fā)展，多數(shù)科學家贊成光的微粒說，而歐拉（瑞士人，1707—1783）和伯努利（瑞士人。1700—1782）卻堅持和發(fā)展了“從太”的波動理論。（4）微粒說一直占著統(tǒng)治的地位原因

在十七、十八世紀，研究機械運動規(guī)律的學科——古典力學已經(jīng)建成，并且在解釋自然現(xiàn)象和指導(dǎo)生產(chǎn)實踐方面卓有成效。

從社會情況來看，正如恩格斯指出的那樣“這個時代的特征是一個特殊的總觀點的形成，這個總觀點的中心是自然界絕對不變這樣一個見解。”

牛頓建立了古典力學，牛頓的威望比惠更斯的威望高，所從權(quán)威提出的理論容易被人接受。

波動說本身不夠完善。光學的發(fā)展與完善------波動光學的建立一、波動光學概述1.時間：19世紀

2.特點：是人類對光本性的認識步入正確途徑的開始，在光學的發(fā)展史上有著極深刻的影響。

3.成就：光的電磁理論的建立，成功地解釋干涉、衍射、偏振、發(fā)射、吸收、色散等現(xiàn)象。4.代表人物：托馬斯.楊—干涉菲涅爾—衍射二、干涉的發(fā)現(xiàn)------托馬斯-楊（ThomasYoung，1773～1829）的貢獻1.概述：英國醫(yī)生、物理學家，光的波動說的奠基人之一。博學：涉獵甚廣，光波學、聲波學、流體動力學、造船工程、潮汐理論、毛細作用、用擺測量引力、虹的理論……力學、數(shù)學、光學、聲學、語言學、動物學、埃及學……興趣廣泛：他對藝術(shù)還頗有興趣，熱愛美術(shù)，幾乎會演奏當時的所有樂器，并且會制造天文器材，還研究了保險經(jīng)濟問題。而且托馬斯·楊擅長騎馬，并且會耍雜技走鋼絲勤奮：是一個將科學和藝術(shù)并列研究、對生活充滿熱望的天才，我們幾乎可以這樣說：他生命中的每一天都沒有虛度。2.特點：天才兒童1773年6月13日出生2歲時學會閱讀，對書籍表現(xiàn)出強烈的興趣4歲能將英國詩人的佳作和拉丁文詩歌背得滾瓜爛熟；不到6歲已經(jīng)把圣經(jīng)從頭到尾看過兩遍9歲掌握車工工藝，制作一些物理儀器；幾年后他學會微積分和制作顯微鏡與望遠鏡；14歲之前，他已經(jīng)掌握10多門語言讀完了牛頓的《原理》、拉瓦錫的《化學綱要》等科學著作，才智超群。26歲時把羅塞塔石碑的碑文的譯文發(fā)表成書的第一人3.簡歷：1792年19歲的楊來到倫敦學習醫(yī)學1794年，楊21歲，由于研究了眼睛的調(diào)節(jié)機理，他成為皇家學會會員。1795年，他來到德國的格丁根大學學習醫(yī)學，一年后便取得了博士學位1801年完成雙縫實驗1814年，41歲的時候，楊對象形文字產(chǎn)生了興趣轉(zhuǎn)向考古學研1829年因病去世，終年56歲。就在他去世前還在編寫一本埃及字典。4.主要貢獻（1）物理：楊氏雙縫實驗：1801年--“物理最美實驗”之一楊氏模量：用來測量一個物體的彈性。視覺和顏色：是生理光學的創(chuàng)始人。1793年提出人自動調(diào)節(jié)功能。1801年第一個研究散光。提出色覺取決于眼睛里的三種不同的神經(jīng)感覺紅色，綠色，和紫色。（2）醫(yī)學血流動力學有重要貢獻：1808年在英國皇家醫(yī)學院所作題為“心臟和血管的功能”的報告，1813年《醫(yī)學文學的介紹》；1813年《實踐鼻科》；1815年《虛損類病的歷史和治療》等等。（3）語言：托馬斯·楊曾對400種語言做了比較，并在1813年提出“印歐語系”。埃及象形字：托馬斯·楊也是最先嘗試翻譯埃及象形文的歐洲人之一（4）作品1807年《自然哲學與機械工藝課程》1813年《醫(yī)學文獻介紹及實用疾病分類學》1821年《拉普拉斯天體力學原理闡明》1801《聲和光的實驗和探索綱要》1973年《對視覺過程的觀察》1807年《自然哲學講義》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，但我并非因此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)威有時或許阻礙了科學的進步?！毙〔迩和旭R斯.楊由于提出干涉原理受到了一些權(quán)威學者的圍攻，其中有一位以牛頓學術(shù)權(quán)威自居的布魯厄姆攻擊得最為刻薄，說他的文章沒有任何價值，稱不上是實驗，干涉原理是荒唐和不合邏輯的，一二十年，竟沒有人理解他的工作，為回駁布魯厄姆專門撰寫的論文竟無處發(fā)表，只好印成小冊子，小冊子出版后，只賣出一本。1800年，楊在論文《在聲和光方面的實驗和問題》中，提出了反對微粒理論的新論據(jù)：①在解釋由強光和弱光源所發(fā)出的光粒子有同樣的速度方面碰到的困難，②在解釋射線從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，一部分不斷地被反射，而另一部分不斷地發(fā)生折射的困難。首次提出干涉這個術(shù)語。5.楊氏雙縫實驗

楊在1801年的報告中，已經(jīng)形成波動光學的基本原理，他提出了比惠更斯進一步的四條假設(shè)和八條命題。推導(dǎo)出光的傳播速度和以太的彈性和密度有關(guān)；也解決了惠更斯所沒有解決的問題——波為什么不向后面?zhèn)鞑?；用命題解釋了牛頓環(huán)。并測定了光波的波長和波數(shù)，因此，波動光學的基本概念——波長，也是楊首次提出的。

在1801年，發(fā)表于《哲學會報》上的論文中，解釋了干涉現(xiàn)象。關(guān)于楊氏的干涉實驗和原理，后來被記載在1807年出版的他的基礎(chǔ)性論著《自然哲學講義》中，書中描述了雙縫干涉的基本實驗，而縫的圖象是產(chǎn)生干涉和計算的基礎(chǔ)。1.衍射的發(fā)現(xiàn)：格里馬第觀察到衍射現(xiàn)象三、衍射的研究意大利物理學家、數(shù)學家。

1618年生于意大利的波洛尼亞，成年后任波洛尼亞大學教授，

1640年至1650年期間研究了物體的下落問題，確定物體的下落距離與時間平方成正比。他們還通過精確計量擺的振動計算了地球的引力常量。

制作設(shè)備測量了月球山脈以及云的高度

精確地觀察并描述光衍射現(xiàn)象的人。他通過實驗證實了光穿過一個小孔后并非沿直線前進的，而是形成一個光錐。提出“衍射“一詞。他的工作在他去世后的1665年發(fā)表。格里馬第(FrancescoMariaGrimaldi,1618—1663)（1）生平：菲涅耳(1788～1827)

是法國土木工程兼物理學家1806年畢業(yè)于巴黎工藝學院，1809年又畢業(yè)于巴黎橋梁與公路學校。1823年當選為法國科學院院士，1825年被選為英國皇家學會會員。1827年7月14日因肺病醫(yī)治無效而逝世，終年僅39歲。2.菲涅耳的功績（2）貢獻：

衍射問題的研究惠更斯--菲涅耳原理，完善了光的衍射理論。研究求衍射光強方法他提出了把波陣面分解為波帶的近似計算方法，并用于研究屏幕邊緣和圓孔的衍射，計算和實驗符合得很好

制作光學元件如：雙面鏡干涉、波帶片、菲涅耳透鏡、圓孔衍射等。

偏振現(xiàn)象的研究1821年研究偏振光的干涉，確定了光是橫波（與D.F.J.阿拉果合作）；1823年發(fā)現(xiàn)了光的圓偏振和橢圓偏振現(xiàn)象，用波動說解釋了

偏振面的旋轉(zhuǎn)

他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律，即菲涅耳公式

解釋了馬呂斯的定律和雙折射現(xiàn)象，奠定了晶體光學的基礎(chǔ)。被譽為“物理光學的締造者”。（3）人物特點遲鈍少年：8歲不會閱讀9歲茅塞頓開，顯示出技術(shù)才能

名人之家：父親建筑師，母親梅里美家族成員

（普洛斯佩爾

梅里美

法國文學家

代表作《卡門》）

牢獄之災(zāi)：引發(fā)對拿破侖入獄，在獄中堅持光學研究

挑戰(zhàn)權(quán)威：泊松斑艱難的科學歷程：

負債累累：

英年早逝：3.阿拉果的貢獻(Arago,DominiqueFrancoisJean）1786.2.26—1853.10.2A人物特點：經(jīng)歷豐富：從政、編輯、研究超強的自學能力：15歲去巴黎自學學習了歐拉的無限小量分析、拉格朗日的解析函數(shù)理論和分析力學、拉普拉斯的天體力學廣交朋友：畢奧、泊松、蓋·呂薩克大膽質(zhì)疑：1786.2.26生在法國東部，是一個具有西班牙血統(tǒng)的中等地主家庭里1795年遷居省的首府佩皮尼昂市，阿拉果在那里完成了他的基礎(chǔ)教育，立志要當拿破侖軍隊炮兵軍官，決心上綜合工科學校1804年經(jīng)泊阿松推薦，擔任了巴黎天文臺的秘書，從而認識了拉普拉斯等名人。1806年畢業(yè)擔任了經(jīng)度局秘書；同年和畢奧一起參加遠征西班牙的大地測量隊。1808年法西戰(zhàn)爭爆發(fā)，阿拉果被囚禁數(shù)月。1809年帶了全部測量資料歸國。1809年被選入法蘭西研究院，得票甚至超過了著名的泊阿松。1816年又他當上了《經(jīng)度局年報》的主要撰稿人，同年又和蓋·呂薩克共任《化學和物理學年報》的主編。1820年以前和菲涅耳共同研究偏振光的干涉，重振光的波動說，與堅持光的微粒說的拉普拉斯、畢奧、泊阿松展開了激烈的論戰(zhàn)。1820年后，阿拉果轉(zhuǎn)向電磁學研究，以研究旋轉(zhuǎn)銅盤對磁針的效應(yīng)而獲得了1825年的科普利獎。1830年，阿拉果出任天文臺臺長，并繼傅里葉之后擔任科學院終身秘書。1830年7月革命后，阿拉果先后被選為家鄉(xiāng)和巴黎的議員；1848年2月革命中，臨時政府成立，他任海軍和陸軍部長、執(zhí)委會主席，曾簽署過不少改革方案。6月革命后，阿拉果退出政界。1850年，視力突然衰退，這迫使他放棄了測光速實驗，而由傅科和菲佐完成。1850年拒絕向路易·波拿巴政府宣誓效忠，毅然辭去經(jīng)度局的職務(wù)，但未獲得批準。1853年10月2日，阿拉果在巴黎去世。4.夫瑯和費貢獻（1）

生平：夫瑯和費JosephvonFraunhofer(1787～1826)，德國人，父親是玻璃工匠。夫瑯和費幼年當學徒，后來自學了數(shù)學和光學。1806年他在巴伐利亞的貝內(nèi)迪克特博伊倫的光學工場當了工匠1818年任經(jīng)理1823年擔任慕尼黑科學院物理陳列館館長慕自學成才,勤奮刻苦,終身未婚1826年6月7日因肺結(jié)核在慕尼黑逝世。（2）貢獻：1814年發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的若干條暗線(現(xiàn)稱為夫瑯和費線)。并測出它們的波長，將576條暗線編制成表，精確測量玻璃的折射率，提高光學玻璃質(zhì)量和體積設(shè)計和制造了消色差透鏡首創(chuàng)用牛頓環(huán)方法檢查光學表面加工精度及透鏡形狀。制造大型折射望遠鏡等光學儀器。1821年發(fā)表了平行光單縫衍射的研究結(jié)果（后人稱平行光衍射為夫瑯和費衍射），制成260條平行線組成的光柵并定量地研究了衍射光柵，用它測量了光的波長。1823年他又用金剛石刀刻制了玻璃光柵（3200條/巴黎寸），給出了至今通用的光柵方程。夫瑯和費（左2）正在展示他的光譜儀丹麥醫(yī)生、數(shù)學家、物理學家。1625年出生于丹麥的羅斯基勒郡1664年在帕多瓦大學獲得醫(yī)學博士學位,然后在哥本哈根大學教授數(shù)學和醫(yī)學。巴托林納斯發(fā)展了笛卡兒的數(shù)學和光學，他最著名的工作是1669年發(fā)現(xiàn)光線通過冰洲石的雙折射現(xiàn)象?；莞垢鶕?jù)巴托林納斯的論文進一步研究冰洲石的雙折射現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。巴托林納斯還是丹麥著名物理學家羅默(Romer)的老師。5.補充：早期偏振--雙折射現(xiàn)象

---巴托林納斯(ErasmusBartholinus,1625—1698)5.完善磁致旋光：

1845年，法拉第（英國人，1791—1867）發(fā)現(xiàn)了偏振光的振動面在強磁場中旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，從而揭示了光和電磁的內(nèi)在聯(lián)系。光速大?。?/p>

1856年韋伯（德國人，1804－1891）和柯爾勞斯（德國人，1809—1858）發(fā)現(xiàn)電荷的電磁單位和靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度。四、光速的測定（1）伽利略測量光速的方法1607年,他和助手曾分別站在兩個山頭上，用燈閃光方法測定光速，但實驗沒有成功（2）天文學方法

羅末由木衛(wèi)蝕測量光速

由丹麥人奧羅斯·羅末(1644-1710)于1675年提出，惠更斯據(jù)此觀察計算出了光的傳播速度：214000千米/秒意義：揭示了光的傳播需要時間，即光速有限。

由光行差測量光速

1725—1728年間，英國天文學家布拉德雷（Bradley)在地球上觀察恒星時，發(fā)現(xiàn)恒星的視位置在不斷地變化，在一年之內(nèi)，所有恒星似乎都在繞橢圓軌道運行一周．他認為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于恒星發(fā)出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而發(fā)生了位置的變化。（3）光速的實驗室測定方法五、光譜的研究1.概述：

1666年牛頓的色散實驗開始了光譜研究的歷史，但沒有觀察到光譜譜線。

1748年-1749年英國的梅耳維爾用棱鏡觀察了火焰光譜，包括納的黃線。

1800年，英國天文學家赫謝爾測量了太陽光譜中各部分的熱效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)紅端輻射溫度較高。他注意到紅端以外的區(qū)域，也具有熱效應(yīng)，從而發(fā)現(xiàn)了紅外線。1801年，德國科學家里特(Ritter)發(fā)現(xiàn)在光譜紫色的外側(cè)仍能使氯化銀變黑，且比紫光的化學作用更強烈，從而發(fā)現(xiàn)了紫外線。1802年沃拉斯頓(Wollaston)觀察到太陽光譜的不連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)中間有多條黑線，但他誤認為是顏色的分界線。※1803年托馬斯楊的干涉實驗提供了測量波長的方法.1814-1815年德國物理學家夫瑯和費編繪的太陽光譜圖，內(nèi)有多條黑線，1821年-1822年期間，夫瑯和費詳細地研究了衍射現(xiàn)象，確定了主要暗線的波長，如λD=588.77μm.

2.光譜分析的誕生

1832年布儒斯特發(fā)現(xiàn)透過發(fā)煙硝酸的太陽光的光譜中有暗線和光譜帶，他認為，這些暗線產(chǎn)生于地球大氣對光的吸收，或是太陽大氣對光的吸收。

1845年英國化學家米勒研究了金屬鹽類火焰的吸收光譜和發(fā)射光譜，證實了鈉的明線和太陽光譜中的D線恰好相合。

1849年傅科把蘇打涂在弧光燈碳棒的前端：同一電弧在產(chǎn)生D線的同時，還吸收別處來的D線。3.光譜分析理論的建立：

1859年，基爾霍夫和本生(Bunsen)合作研究了各種物質(zhì)的火焰光譜和火花光譜，在他們合寫的論文《借助光譜觀察進行化學分析》中指出：“無論含有金屬的化合物的位置何等不同，也無論這些單獨火焰的溫度的差別是何等巨大，都不會對相應(yīng)的個別金屬的譜線位置發(fā)生任何影響。”這一結(jié)論為化學分析提供了強大的武器，為物理學開辟了光譜分析的新領(lǐng)域。(4)氫光譜規(guī)律

1868年，瑞典埃格斯特朗的“標準太陽光譜”圖表-----?。

1868年從氣體放電的光譜中找到了氫的紅線Hα，并證明它就是夫朗和費從太陽光譜發(fā)現(xiàn)的C線，后來又發(fā)現(xiàn)了另外幾根可見光區(qū)域的氫譜線，測量了它們的波長。

1880年，胡金斯(Huggins)和沃格爾(Vogel)成功地拍攝了恒星的光譜，發(fā)現(xiàn)氫的光譜線一直擴展到紫外區(qū)，組成一光譜系(5)巴爾末(Balmer,1825-1898)于1884年6月25日向全國科學協(xié)會報告了自己的發(fā)現(xiàn)：

次年發(fā)表了論文《論氫光譜系》。氫原子的巴爾末系(6)里德伯的普遍公式思考題1.簡述17世紀幾何光學的主要成就。2.牛頓是如何進行色散實驗的？這個實驗的意義是什么？3.光的微粒說與波動說各自的主要論點是什么？4.試述托馬斯·楊對光學的主要貢獻。5.惠更斯對雙折射的研究有什么貢獻？馬呂斯對雙折射的進一步研究說明了什么問題？他們對光的本性的認識有什么重要意義？6.菲涅爾對于干涉和衍射的研究有哪些特點？7.菲涅爾與夫瑯和費對光的衍射的研究，從方法上各有哪些特點？8.簡述光速測定的演變過程。9.簡述19世紀對太陽光譜研究的主要進展。經(jīng)典光學領(lǐng)域物理學家一覽表國籍中譯名英文名生卒年終年人物關(guān)系與獲獎荷蘭斯涅耳Willebrord

Snellius1580-162646歲

折射定律法國費馬PierredeFermat1601-166564歲

費馬原理意大利格里馬第FrancesoMariaGrimaldi1618-166345歲

首先發(fā)現(xiàn)衍射丹麥巴塞林那斯ErasmusBartholinus1625-169873歲

雙折射荷蘭惠更斯ChristianHuygens1629-169566歲

波動說丹麥羅默OlausRoemer1644-171066歲

側(cè)光速英國托馬斯·楊ThomasYoung1773-182956歲

雙縫實驗英國布儒斯特DavidBrewster1781-186887歲偏振光法國菲涅耳Augustin-JeanFresnel1788-182739歲

衍射、偏振56光學的發(fā)展一、量子光學時期1.概述：時間：19世紀末～20世紀60年代特點：對光的研究由宏觀進入微觀的時代成就：揭示了光的本質(zhì)，提出量子化思想代表人物：普朗克—輻射量子論愛因斯坦—光量子理論德布羅意—物質(zhì)波學說。2.黑體輻射的研究（1）來源：1859年基爾霍夫物體熱輻射的發(fā)射本領(lǐng)e(v,T)和吸收本領(lǐng)a(v,T)的比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的輻射度（2）實驗規(guī)律：（3）歸納總結(jié)：1879年斯特潘根據(jù)實驗總結(jié)出黑體輻射總能量與黑體溫度四次方成正比的關(guān)系Stefan’sLaw1893年維恩經(jīng)驗式子

維恩定律：

1896年，德國物理學家維恩通過半理論半經(jīng)驗的方法，得到一個輻射能量分布公式：

這個公式只在短波區(qū)、溫度較低時和實驗結(jié)果符合，而在長波區(qū)不符。

瑞利——金斯定律公式卻只在長波區(qū)和實驗結(jié)果符合，短波區(qū)不符。由于輻射能量與頻率ν的平方成正比，因此當波長接近紫外時，能量為無限大!即在紫色端發(fā)散。（4）理論解釋附：瑞利（1842～1919）Rayleigh，Baron英國物理學家。原名J.W.斯特拉特1842年11月12日生于埃塞克斯的威特姆1863年20歲入劍橋大學三一學院學習1866年（3年）后以優(yōu)異成績畢業(yè)1868年（畢業(yè)后第二年）被選為三一學院研究員1873年被選為英國皇家學會會員1879～1884年任卡文迪什實驗室主任1885～1896年任皇家學會秘書1905～1908年任會長，1908年起任劍橋大學校長1919年6月30日去世貢獻：（1）1877～1878年《聲學原理》兩卷，為近代聲學奠定了基礎(chǔ)（2）導(dǎo)出了分子散射公式他對“天空為什么呈藍色”作了理論解釋，（3）第一個對光學儀器的分辨率給出明確的定義（4）1895年發(fā)現(xiàn)了空氣中的一個稀有元素—氬而獲得1904年諾貝爾物理學獎。（4）1900年得出一個關(guān)于熱輻射的公式（瑞利-金斯公式，見黑體輻射）

人物特點嚴謹、廣博、精深：名門貴族：原名--J.W.斯特拉特，瑞利三世母親是《富貴浮云》的四姐妹之一夫人的弟弟和舅舅都擔任過首相畢業(yè)論文可也直接印刷研究工作幾乎遍及當時經(jīng)典物理學的各個領(lǐng)域，論文達400多篇。由氮的密度千分之五的差異發(fā)現(xiàn)了氬元素（拉姆賽發(fā)現(xiàn)了氦、氪和氖）（5）普朗克的內(nèi)插公式普朗克將代表短波方向的維恩公式和代表長波方向的實驗結(jié)果結(jié)合在一起，得到普朗克輻射定律：

當ν→0，即在長波范圍，普朗克定律變?yōu)槿鹄鹚构?。當ν→∞，即在短波范圍，又與維恩定律一致。

魯本斯得知這一公式后，立即把自己的實驗結(jié)果和理論曲線相比較，完全符合。于是兩人于1900年10月19日向德國物理學會做了報告。題目是《維恩光譜方程的改進》。普朗克的能量子假設(shè)普朗克為一理論物理學家，他不滿足于找到一個經(jīng)驗公式，普朗克寫道:“……從10月19日提出這個公式開始，我就致力于找出這個公式的真正物理意義。這個問題使我直接去考慮熵和幾率之間的關(guān)系，也就是說把我引到了波爾茲曼的思想?！?/p>

1900年12月14日，普朗克明確提出了能量子概念，并指出每個能量子的能量

與頻率ν成正比，這一天，被稱為量子力學的誕生日。普朗克從這些假設(shè)出發(fā)可以得到他的黑體輻射公式。*普朗克馬克斯·普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858.4-1947.10）德國物理學家，量子物理學的開創(chuàng)者和奠基人1858年4月23日生于基爾。1867年隨父（慕尼黑大學的民法學教授）遷往慕尼黑。1874年入慕尼黑大學。1877～1878年間去柏林大學聽亥姆霍茲和基爾霍夫的講課。自學了R.克勞修斯的《力學的熱理論》，立志去尋找具有普遍性的規(guī)律1879年普朗克在慕尼黑大學得博士學位后先后在慕尼黑大學和基爾大學任教。1888年柏林大學任命他為基爾霍夫的繼任人和理論物理學研究所主任1900年，他在黑體輻射研究中引入能量量子1918年獲得諾貝爾物理學獎。1918年被選為英國皇家學會會員1926年被推舉為英國皇家學會的最高級名譽會員，美國選他為物理學會的名譽會長。1930～1937年他擔任威廉皇帝協(xié)會會長。1947年10月3日在哥廷根病逝，終年89歲。德國政府為了紀念這位偉大的物理學家，把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。人物特點酷愛物理：獨到的教育資源：祖父和外祖父哥廷根的神學教授，父親、叔叔是慕尼黑大學法學教授中學深受數(shù)學家奧斯卡·馮·米勒的影響大學期間從師亥姆霍茲和基爾霍夫等科學家會鋼琴、管風琴和大提琴，還上過演唱課不幸的晚年：不聽勸說堅持物理專業(yè)

由實驗轉(zhuǎn)向理論物理

年輕教授（1）光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1887年赫茲（HeinrichHertz）發(fā)現(xiàn)的在研究電磁波發(fā)射與接收時發(fā)現(xiàn)

用光照射金屬板電火花變強，

紫外線照射火花更明顯赫茲的論文《紫外線對放電的影響》發(fā)表后，引起了廣泛反響。3.光電效應(yīng)的研究（2）揭示光電效應(yīng)的機制1888年，德國物理學家霍爾瓦克斯（WilhelmHallwachs），意大利的里奇（AugustoRighi）和俄國的斯托列托夫（?。ぃ厂洄唳支洄唰樱缀跬瑫r作了新的研究---發(fā)現(xiàn)光電流實驗表明負電極在光照射下會放出帶負電的粒子，形成電流。1889年，愛耳斯特（J.Elster）和蓋特爾（H.F.Geitel）發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)與金屬有關(guān)，鋅板要加+2.5伏電壓，才能在光照之下保持光電流1899年，J.J.湯姆生測光電流的荷質(zhì)比，與電子相接近光電流和陰極射線相同，都是高速運動的電子流（3）勒納德的新發(fā)現(xiàn)由反向電壓的截止值，可以推算電子逸出金屬表面的最大速度。

發(fā)現(xiàn)都對遏止電壓與材料及入射光頻率有關(guān)，與光強無關(guān)除此之外還有如下矛盾

光的頻率低于某一臨界值時，不論光有多強，也不會產(chǎn)生光電流。

光照到金屬表面，光電流立即就會產(chǎn)生簡歷：1886年在海德堡大學獲得博士頭銜。1892年起任波恩大學的講師和赫茲教授的助手。1894年被任命為布雷斯勞大學的教授。1895年成為亞琛工業(yè)大學的物理學教授。1896年海德堡大學理論物理學教授。1898年為基爾大學教授。1905年獲得諾貝爾物理學獎。1945年二戰(zhàn)結(jié)束后，美國考慮到萊納德年事已高，免除了對他的非納粹化措施。1947年萊納德在德國梅塞爾豪森去世，他的遺產(chǎn)現(xiàn)存于慕尼黑的德意志博物館。菲利普·萊納德（1862年6月7日－1947年5月20日），德國物理學家，1905年他接受了諾貝爾物理學獎金。人物特點：名師出高徒：赫茲的助手他先后在布達佩斯大學、維也納大學、柏林大學和海德堡大學學習物理學，曾是本生、亥姆霍茲、萊奧·柯尼希斯貝格爾和格奧爾格·赫爾曼·昆克的學生。納粹黨員：在多次在公開場合批判猶太人科學家，宣揚希特勒的理論。貢獻：

（1）光電效應(yīng)規(guī)律（2）光電效應(yīng)的觸發(fā)說（3）原子模型（4）愛因斯坦的光量子理論1905年發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的一個啟發(fā)性觀點》提出光量子概念：光波是由一個個光量子組成的，每個光量子不僅具有能量ε，也有動量p，并滿足關(guān)系：ε＝hν1926年，劉易斯（1875－1946）將光量子命名為“光子”因此獲得1921年諾貝爾物理獎。美國物理學家密立根（公元1868－1953）1915年在實驗中證實了由光量子理論得到的h值和普朗克公式中的h值完全一致，證實了愛因斯坦光電效應(yīng)公式。

1923年，康普頓（公元1892—1962）用光量子理論解釋了X射線被金屬散射的散射光譜。又一次證明了光量子理論的正確性。愛因斯坦的光量子理論不僅解釋了光電效應(yīng)，其更重要的意義在于揭示了光具有波粒二象性。使人們對光的本性有了更深刻的認識，并對物質(zhì)世界的認識產(chǎn)生了深遠的影響。4.波粒二象性（1）愛因斯坦的貢獻

1905年的光量子假說隱含了光的波粒二象性的思想

1909年再次撰文討論輻射問題，預(yù)見到了將有一種新的理論使波動性和微粒性熔合于一體

1919在《關(guān)于輻射的量子理論》提出受激輻射，為50年后激光的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。（2）X射線本性之爭

倫琴認為X射線可能是以太中的某種縱波

斯托克斯認為X射線可能是橫向的以太脈沖

J.J.湯姆生也認為是一種脈沖波

1899年哈加(Haga)和溫德(Wind)測出三角形微弱的衍射圖象

1912年勞厄發(fā)現(xiàn)X射線衍射，對波動說提供了最有力的證據(jù)。

5.康普頓效應(yīng)

1904年，英國物理學家伊夫(A.S.Eve)首先發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)的跡象1910英國的弗羅蘭斯(D.C.H.Florance)證明γ射線散射后的二次射線決定于散射角度，與散射物的材料無關(guān)，而且散射角越大，吸收系數(shù)也越大1913年，麥克基爾大學的格雷（J.A.Gray）又重做γ射線實驗，證實了弗羅蘭斯的結(jié)論并進一步精確測量了射線強度1919年康普頓也接觸到γ散射問題:測定了γ射線的波長，確定了散射后波長變長康普頓自制的X射線分光計用鉬的Kα線經(jīng)石墨晶體散射后，用游離室測量不同方位的散射強度理論解釋：（1）最初的解釋：J.J湯姆孫電子散射——熒光輻射——碰撞（2）1923年5月的《物理評論》A.H.康普頓以《X射線受輕元素散射的量子理論》成功解釋（3）德拜也發(fā)表了早已準備好的論文（4）杜安的反對（5）吳有訓的貢獻：吳有訓對康普頓效應(yīng)的進一步研究和檢驗有很大貢獻，除了針對杜安的否定作了許多有說服力的實驗外，還證實了康普頓效應(yīng)的普遍性（6）愛因斯坦貢獻：多次宣傳支持康普頓的量子解釋1897年4月2日出生，江西高安人。物理學家。1920年畢業(yè)于南京高等師范學校。1926年以《康普頓效應(yīng)》獲美國芝加哥大學物理學博士學位。1948年選聘為中央研究院院士。中國科學院研究員、副院長，中國物理學會理事長。1955年選聘為中國科學院院士（學部委員）。1977年11月30日于北京去世。吳有訓(1897年4月26日—1977年11月30日)在康普頓的指導(dǎo)下完成了7種物質(zhì)的散射實驗，證明了康普頓的理論解釋人物特點出眾少年：公派留學

接近諾獎一代名師：中國物理學開山祖師：馮端、胡宏紋、王淦昌、錢偉長、錢三強、王竹溪、葛庭燧、彭桓武、余瑞璜、朱光亞、鄧稼先、楊振寧、李政道、林家翹、戴振鐸、任之恭、黃昆、王大珩、龔祖同，陸學善、趙九章、陳芳允、赫崇本等。科學事業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者：校長

籌建物理科學院吳有訓獎：核物理方面貢獻獎悲觀情緒：

物理學的新發(fā)現(xiàn)和舊原理之間的矛盾引起物理學家認識上的嚴重分歧。在人們提出波粒二象性新概念時，洛侖茲哀嘆到：“在今天，人們提出了完全相反的主張；這樣一來，也就沒有真理的標準了，也不知道科學是什么了。我真后悔我沒有在這些矛盾出現(xiàn)前的五年死去?！狈▏茖W哲學家雷伊在1907年出版的《現(xiàn)代物理學家的物理學理論》中描述了當時的這種情緒：“傳統(tǒng)的機械論的破產(chǎn)，確切的說，它所受到的批判，造成了如下論點：科學也破產(chǎn)了。”“物理學失去了一切教育價值；物理學所代表的實證科學的精神成為虛偽的危險的精神”。

開爾文則竭力否定新的發(fā)現(xiàn)和新學說。他說X射線是一場“精心策劃的騙局”，說元素嬗變理論是巧妙的捏造出來的。

門捷列夫也宣稱：“承認原子可以分解出電子只會時事情復(fù)雜化?！钡?。三、現(xiàn)代光學時期1．激光理論的建立過程（1）愛因斯坦提出受激輻射概念1916年在《物理學年鑒》發(fā)表《輻射的量子理論》上論述了：

輻射的兩種形式：自發(fā)輻射和受激輻射

光子與分子間的兩種相互作用：能量交換和動量交換

（但沒有想到利用受激輻射來實現(xiàn)光的放大）（2）負色散的研究1900年特魯?shù)拢≒.Drude）由電磁理論建立色散理論1926—1930年拉登堡做了一系列實驗，研究氖的色散，發(fā)現(xiàn)當電流超過100毫安色散系數(shù)開始下降1940年蘇聯(lián)物理學家在做博士論文時注意到了負吸收（3）磁共振的研究1946年瑞世布洛赫（F.Bloch）在斯坦福大學研究核磁感應(yīng)觀察到了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的信號（1952年與珀賽爾（E.M.Purcell）共獲諾貝爾物理獎）1947年蘭姆（W.E.Lamb,jr.）和雷瑟福（R.C.Retherford）提出通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)感應(yīng)輻射（即受激輻射）。1948年珀賽爾有意識地研究了磁場中各子能級的集居數(shù)。1951年他和合作者第一次在實驗中實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，觀察到了負吸收。1949年，法國物理學家卡斯特勒（A.Kastler）發(fā)現(xiàn)了光泵方法，為此他獲得了1971年諾貝爾物理獎。2.激光器的發(fā)明（1）微波激射器的發(fā)明

湯森研制出24GHz的雷達（二戰(zhàn)期間在貝爾實驗室為美國空軍研制，因極易被大氣中的水蒸汽吸收，軍事上毫無價值）

湯森與肖洛相遇設(shè)計---毫米波發(fā)生器（1951年春天在華盛頓參加一個毫米波會議時與肖洛（A.L.Schawlow）同住一個房間，清晨在公園旁的長凳上坐下思考是什么原因沒有制成（毫米波發(fā)生器），幾分鐘內(nèi)我就草擬好了方案，并計算出下列過程的條件）

1953年研制出第一臺微波激射器（“微波激射放大器”）

返回哥倫比亞，召集博士后齊格爾（H.J.Zeiger）（他離開后中國學生王天接替）和博士生戈登（J.P.Gordon）等按他的新方案工作，選擇氨分子作為激活介質(zhì)，歷經(jīng)兩年的試驗，花費了近3萬美元。（2）激光的設(shè)想

湯斯和肖洛1958年12月在《物理評論》發(fā)表激光器的詳細方案，湯斯因此于1964年獲諾貝爾物理獎。

肖洛開始研究把紅寶石當作工作介質(zhì)的激光器。他對固體器件很有信心，”但犯了一個錯誤，誤以為紅寶石的R線（即6934?與6929?）不適于產(chǎn)生激光*查爾斯·哈德·湯斯，美國物理學家1915年7月28日生于南卡羅來納州格林維爾父親是律師1935年以人成等成績畢業(yè)于故鄉(xiāng)的福曼大學在杜克大學獲得碩士學位1939年在加利福尼亞理工學院獲得博士學位。1939年進入貝實驗室從事雷達投彈系統(tǒng)的設(shè)計1948年進入哥倫亞大學物理系。1950年起在那里就任正教授。1953年12月制成了“受激輻射微波放大”1964年獲諾貝爾物理學獎激光之父——阿瑟·肖洛1921年5月5日出生在美國紐約州的弗農(nóng)山1924年全家遷往加拿大，在多倫多念完小學和中學1937年進入多倫多大學學物理憑著獎學金讀完了大學課程1941年畢業(yè)，1945年重返多倫多大學讀研究生194