浅谈光学的发展和对光的本性的认识.docx
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浅谈光学的发展和对光的本性的认识
编号
2013120130
研究类型
基础研究
分类号
O43
学士学位论文(设计)
Bachelor’sThesis
论文题目
浅谈光学的发展和人类对光的本性的认识
作者姓名
贺晓金
学号
2009112010130
所在院系
物理与电子科学学院
学科专业名称
物理学
导师及职称
黄燕霞教授
论文答辩时间
2013年5月12日
中文题目:
浅谈光学的发展和人类对光的本性的认识
外文题目:
Introductiontothedevelopmentofopticalandhuman'sunderstandingofthenatureoflight
学生姓名
贺晓金
学生学号
2009112010130
院系专业
物理学
学生班级
0901
学生承诺
我承诺在学士学位论文(设计)活动中遵守学校有关规定,恪守学术规范,本人学士学位论文(设计)内容除特别注明和引用外,均为本人观点,不存在剽窃、抄袭他人学术成果,伪造、篡改实验数据的情况。
如有违规行为,我愿承担一切责任,接受学校的处理。
学生(签名):
2013年5月6日
指导教师承诺
我承诺在指导学生学士学位论文(设计)活动中遵守学校有关规定,恪守学术道德规范,经过本人核查,该生学士学位论文(设计)内容除特别注明和引用外,均为该生本人观点,不存在剽窃、抄袭他人学术成果,伪造、篡改实验数据的现象。
指导教师(签名):
2013年5月6日
浅谈光学的发展和人类对光的本性的认识
贺晓金(指导老师:
黄燕霞教授)
(湖北师范学院物理与电子科学学院中国黄石435002)
摘要:
光学是物理学中的一门重要的分支学科,它具有非常渊源的历史。
本文主要介绍光学发展的五大时期,即:
萌芽时期,几何光学时期,波动光学时期,量子光学时期,现代光学时期,还对光学的发展前景进行了展望。
本文重点介绍了人类关于光的本性的认识。
关键词:
光的本性;激光;发展前景
中图分类号:
O43
IntroductiontotheDevelopmentofOpticalandHuman'sUnderstandingoftheNatureofLight
HeXiaojin(Tutor:
HuangYanxia)
(Collegeofphysicalandelectronicscience,HubeiNormalUniversity,Huangshi,Hubei,435002)
Abstract:
Opticalisanimportantbranchofphysics,ithasanoriginalhistory.Thispapermainlyintroducesfiveperiodofthedevelopmentoftheoptical:
sproutperiod,periodofgeometricalopticsandwaveoptics,quantumoptics,modernoptics;andthearticlelooksaheadtheprospectofoptical.Thisarticlefocusesontheexplorationofthenatureofthelight.
Keywords:
thenatureofthelight;laser;theprospectsforthedevelopment
浅谈光学的发展和人类对光的本性的认识
贺晓金(指导老师,黄燕霞教授)
(湖北师范学院物理与电子科学学院中国黄石435002)
1.前言
光学是一门研究光(电磁波)的行为和性质,以及光和物质相互作用的物理学科。
光学是物理学中最古老的一门基础学科,传统内容十分丰富,如光的产生、传播、本性等等;光学又是当今科学领域中最活跃的前沿阵地之一,激光的问世使得光学焕发青春,如光子学、信息光学、光通信等等。
光学的发展是一个漫长曲折的历史过程,主要经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期等五大历史时期。
光学不断地发展,人类对光的现象研究得越深人,光所表现出的规律性就越明显,从而使得人们对这些规律背后的光的本性就越感兴趣。
一代又一代的物理学家进行了坚持不懈的努力,为光的本性的探究作出了卓越的贡献。
2.发展时期
2.1萌芽时期(公元前5世纪—16世纪初)
2.1.1关于光学的最早记录
光学的起源和力学、热学一样,可以追溯到两三千年以前。
我国春秋战国时期,墨翟及其弟子所著的《墨经》中,就记载着光的直线传播和光在镜面上的反射等现象,并提出了一系列经验规律,把物和像的规律及其大小与所用镜面的曲率联系起来。
无论就时间还是科学性来说,《墨经》称得上是有关光学知识的最早记录。
经过一百多年之后,在希腊数学家欧几里德所著的《光学》一书中,研究了平面镜成像问题,指出反射角等于入射角的反射定律,但他却同时提出了将光当做类似触须的投射学说。
2.1.2萌芽时期关于光学的主要成果
从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期,在此期间光学的发展比较缓慢。
除了对光的直线传播、反射和折射等现象和实验外。
在生产和生活需要的推动下,在光的反射和透镜的应用方面,逐渐有了些成果。
克莱门德和托勒密研究了光的折射现象,最早测定了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。
罗马哲学家塞涅卡指出充满水的玻璃泡具有放大功能。
从阿拉伯的巴斯拉来到埃及的学者阿尔哈曾反对欧几里德和托勒密关于眼睛发出光线才能看到物体的学说,认为光线来自所观察的物体,并且光是以球面形式从光源发出的;反射线与入射线共面且入射面垂直于界面。
他研究了球面镜和抛物面镜,并详细描述了人眼的构造;他首先发明了凸透镜,并对凸透镜进行了实验研究,所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。
公元11世纪,我国宋代的沈括在《梦溪笔谈》中记载了极为丰富的几何光学知识。
他不仅总结了前人研究的成果,并且在凹面镜、凸面镜的成像规律、测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面都有创造性的阐述。
培根提出用透镜矫正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性,并描述了透镜焦点的位置。
阿玛蒂发明了眼镜。
波特研究了成像暗箱,并在1589年的论文《自然的魔法》中讨论了复合面镜以及凸透镜和凸透镜的组合。
综上所述,到15世纪末和16世纪初,凹面镜凸透镜透镜眼镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现[1]。
这一时期光学的发展比较缓慢,人们对过光学的认识还只是停留在对事物的感知上面,并没有形成合理的物理理论。
2.2几何光学时期(16世纪—18世纪初)
这一时期是光学发展的重要的转折点,人们发现了光学的一些基本理论。
在这一时期形成了光的反射定律和折射定律,使光学成为一门独立的学科,为以后光学的发展奠定了基础。
同时为了提高人们的观察能力,科学家们发明了一系列的光学仪器,如发明的望远镜促进了天文学和航海事业的发展,发明的显微镜促进了生物学的发展。
在这一时期物理学家也开始对光的本性进行了探究。
2.2.1几何光学时期关于光学的主要成果
荷兰的李普塞在1608年发明了第一架望远镜。
17世纪初延森和冯特纳最早制作了复合显微镜。
1610年伽利略用自己制造的望远镜观察星体,发现了绕木星运行的卫星。
这给哥白尼关于地球绕太阳运转的日心说提供了强有力的证据。
开普勒于1611年发表了他的著作《折光学》,提出照度定律
,还设计了几种新型的望远镜,他还发现当光以小角度入射到界面时,入射角和折射角近似地成正比关系。
折射定律的精确公式则是斯涅耳和笛卡儿提出的。
1621年斯涅耳在他的一篇文章中指出,入射角的余割和折射角的余割之比是常数,而笛卡儿约在1630年在《折光学》中给出了用正弦函数表述的折射定律。
接着费马在1657年首先指出光在介质中传播时所走路程取极值的原理,称为费马引理。
其数学表达式为
根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。
综上所述,到十七世纪中叶,基本上已经奠定了几何光学的基础。
2.2.2微粒说统治地位的取得
光学学科的形成及其系统化的建立,是从17世纪以后才开始的,在这一时期创立了关于认识光的本性的学说,其中以光的微粒说和光的波动说这两种学说最为重要,而他们之间的争论一直延续到二十世纪初。
光的微粒说的代表是英国科学家牛顿,他认为光是发光体所射出的微小粒子,所以是沿着直线行进的。
这种学说只要假定光在水中的速度比空气中大,就可以很容易的解释光的折射和反射定律。
虽然有一些光学现象用微粒还不能解释,但他坚信光是一种粒子。
光的波动学说的代表是与牛顿同时代的胡克和惠更斯等人为代表,他认为光是一种称为“以太”的介质的快速振动,当以太受到光的照射而振动时,每一个以太点可以作为新的振动中心而向四周传播波面次波,这些波面次波结合后所形成的包络面是下一瞬间新的波前,这就是著名的惠更斯原理(如图1所示)[2]。
球面波平面波
图1
按照这个原理,波动学说也顺利了解释了光的反射和折射定律。
但是惠更斯原理也有一定的缺陷,它不能很好的解释光的干涉和衍射现象等有关光的波动本性的现象。
由于当时牛顿的极高威望以及牛顿追随者极力推崇他的微粒说的强大影响,很多人便依附于牛顿的微粒说之下。
当时的人们在解释各种各样的物理现象时,还倾向于采用与之对应的流体概念。
由于微粒说合乎人们的直观感觉,光也被看成是一种细微粒子构成的流体物质。
因此第一次争论就以波动说的失败而告终。
但惠更斯等人所做的开创性工作使得波动说仍然具有顽强的生命力。
随着科学的不断发展和人们对光深入的探索,又有了关于光的新的实验发现,而数学的发展又为波动说解决困难提供了有力工具,从而为波动说的发展奠定了坚实的基础。
2.3波动光学时期(19世纪末—19世纪初)
2.3.1波动说的重新崛起
随看人们对光的研究的深人,微粒说的局限越来越被人们所认识。
一些当时已知的光学现象,比如在空间交叉的几束光线能够互不干扰地独立前进;光线不是永远走直线,它可以绕过障碍物的边缘拐弯前进等,微粒说无法解释。
而这些现象,荷兰物理学家惠更斯提出的波动说就能够给予合理的解释。
他把光和声波、水波相类比,认为光是一种机械波,由发光物体引起,依靠一种特殊的弹性媒质来传播。
这一种学说,既解释了几束光线相遇不会发生干扰的现象,又解释了光的反射和折射现象。
在解释折射现象的时候,惠更斯同牛顿的解释更是相反。
他假设光在水中的速度小于在空气中的速度。
实验结果表明了惠更斯的解释正确,而牛顿的解释错误。
在恢复原来光波动理论合理与“合法”的斗争中,英国科学家托马斯·杨建
立了不朽功勋.1801年,英国科学家托马斯·杨最先用干涉原理解释了白光照射下薄膜颜色的由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验”,其实验原理图如图2所示
图2
1818年,法国科学家菲涅耳参加了巴黎科学院征求关于阐释光的衍射现象这一有奖问题的辩论并获得胜利,使光的波动学说开始被大多数学者所接受,菲涅耳以光的波动说为基础,把杨氏干涉的思想与惠更斯原理相结合,形成了人们熟知的惠更斯—菲涅耳原理,即如图3所示的波面S上每个面积元dS都可以看成新的波源,他们均发出次波。
波面前方空间某一点P的振动可以由S面上所有面积元所发出的次波在该点叠加后的合振幅来表示。
图3
根据对各次波的振幅和相位进行假设,那么面积元dS发出的次波在P点的合振动可表示为
(2-1)
或
(2-2)
其中K(θ)为随着θ角增大而缓慢减小的函数,称为倾斜因子,C为比例系数。
如果波面上各点的振幅有一定的分布,则面积元dS发出次波到达P点的振幅与该面积元上的振幅成正比,若分布函数为A(Q),则波面在P点所产生的振动为
(2-3)
如果将波面S上所有面积元在P点的作用加起来,即可求得波面S在P点所产生的合振动为
(2-4)
或写成复数形式
(2-5)
惠更斯-菲涅耳原理解释了在圆孔直边狭缝等物体边缘存在的光的衍射现象,菲涅耳的理论还圆满地解释了光波的直线传播的性质,并且最为奇妙的是根据菲涅耳的理论进行计算,可以预见在一块布透明圆板的阴影中心会有一个亮点,实验证实了这一似乎不可理解的结论,从而是光的波动说获得了最终的确认。
菲涅耳进一步研究了光通过方解石晶体后所产生的两束光(即双重像)之间不能产生通常的干涉现象的实验事实,因而认识到光波不是像声波一样的纵波而必然是一种横波;并且确认由方解石所产生的两束光具有不同的(正交的)偏振态。
菲涅耳由此又进一步建立了一整套以“以太”振动维持横波性传递的理论,推导出两种不同偏振态的光波在界面上的反射、折射的光强与入射角之间的关系式,即著名的菲涅耳反射折射公式。
反射
折射
[1]
公式中各量的意义及方向规定:
角入射角:
;反射角:
;折射角:
振幅入射光振幅:
;反射光振幅:
;折射光振幅:
。
振幅的矢量分解将每一振幅矢量按与传播方向垂直的两方向分解:
在入
射面内的为平行分量—p分量,垂直于入射面的为垂
直分量—s分量。
这一理论解决了光波在一些非均匀晶体传播的问题,并在以后被许多学者进一步完善而称为“弹性以太理论”。
该理论虽然在19世纪的中期曾经获得过相当的成功,但是作为光波传播介质的以太,还是存在着一些令人困惑的疑点。
例如该理论假定以太必须充满整个宇宙,而且物质中的每一点都被以太所占用;由于巨大的光速,以太应该有极大的切变模量,但是任何物体,包括宇宙中高速运动的星系,却可以在以太中毫无阻力地运动而不受影响等等。
2.3.2光的电磁波理论的建立
对于光的本性的进一步认识,即光是一种电磁波的认识,是在19世纪末才建立的。
当时物理学的另一个分支学科——电磁学已经发展得十分成熟,建立了一些正确的定律和定理,例如安培定律、毕奥-萨伐尔定律、法拉第定律等等。
1831年,法拉第发现了电磁感应,但所有人都没能说明其原因,包括法拉第本人。
麦克斯韦也试着思考这个问题,并着手寻找一种数学上的解释,经过大量工作,他终于得出了经典的电磁场方程。
这些方程不仅首次提出电与磁之间的精确关系,更为重要的是方程中还蕴藏着关于光的秘密—麦克斯韦的方程显示电磁波的运动速度和光速一样,麦克斯韦认为这只能有一种解释:
光是电磁波。
这时波动说的最后一个难题—传播媒质问题也被解决了。
在麦克斯韦以后的一个时期,光的波动说可以圆满地解释光的一切传播现象。
然而,要想使麦克斯韦的这个看起来是那么美妙的学说被更多的人接受,必须用实验的方法产生麦克斯韦所假设的电磁波来。
否则,这只能看成是一种很有趣的假说。
这正像劳厄所说:
“尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性并和一切经验相符合,但它只能逐渐地被物理学家接受[3]。
”遗憾的是麦克斯韦有生之年都没能用实验亲自验证他的理论,当时人们对麦克斯韦电磁场理论的深刻含义也没有给予应有的重视。
麦克斯韦逝世七年后,德国人赫兹在1888年探测到电磁波,以此为麦克斯韦的伟大预言增添了辉煌的光彩.随着麦克斯韦电磁场理论的建立,最终实现了电、磁和光的统一,使人类对光的认识达到了一个新的水平,用光的电磁波理论代替光的机械波理论,宣告了光的波动说进入了全盛时期。
2.4量子光学时期(20世纪初—20世纪中叶)
20世纪初期是物理学取的划时代进展的年代,这种进展的标志是相对论和量子论的建立,而在这两个理论的诞生过程中,光学仍然扮演着极其重要的角色。
2.4.1光波粒二象性理论的建立
19世纪末期,当人们的研究深入到光与物质的相互作用领域时,困惑地发现,许多问题是无法用光的波动说加以解释的。
其中最著名的难点是黑体辐射能谱与康普顿效应等现象。
在此情况下,普朗克于1900年提出了能量子假说,成功地解释了黑体辐射能谱问题。
普朗克首次提出的光波能量量子化的概念,同时也蕴含了一个合理的推论,即:
光波中的能量是以
为单元呈现的,光与其它物质的相互作用,犹如粒子碰撞一样。
这一推论实际上是认为光不仅呈现波动性,而且也呈现粒子性,叫做波粒二象性。
显然,这种猜想与经典的概念相悖,必须得到科学实验的验证才能为人们所接受。
在这期间,光的电磁说的实验研究也得到突破性的进展。
若认为光波是以太中的电磁波,则光速应与参照系有关。
1888年,美国物理学家迈克尔孙和莫雷,以地面为参照系用干涉仪测量光速的变化,没有观测到光速与参照系有关。
以后,法国物理学家菲索等用其它方法做实验,也得到了相同的结果。
电磁学内在的矛盾和对光的本性研究向经典的概念提出了尖锐的挑战,吸引了大批物理学家去研究.爱因斯坦于1905年提出了光速不变原理和狭义相对论,否定了以太说,阐明电磁场是物质,光波是以光速运动的物质[4]。
爱因斯坦敏锐地认识到,普朗克的理论是一个需要用实验验证的重要问题.他深入地分析了光电效应实验.1905年,爱因斯坦研究了金属表面受到光照而发射电子的现象,发现所发射电子的数目不依赖与光照的强度而只依赖于入射光的频率。
即使入射光很弱,但只要光的频率足够高(例如紫光),光电子仍然会瞬间产生;若光的频率比较低(例如红光),则无论光有多强,仍然不会有光电子逸出。
这种现象暗示光波的能量似乎集中在一些小粒子中,而这些小粒子的能量只与光的频率有关,与强度无关。
其实验原理图如图4所示
图4
爱因斯坦把这种粒子称为“光子”,并指出光在光电效应中,是以光子的形式作用在金属表面上的,与它在传播的过程中所表现的波动形式不同。
这类反映光的粒子性的现象,还可以在光化学反应等光与其他物质相互作用的过程中出现[5]。
从而爱因斯坦提出了光的波粒二象性理论。
至此,人们一方面通过光的干涉﹑衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性;另一方面通过黑体辐射﹑光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性—粒子性。
光的粒子性质,可用光子能量E和动量P来表征;光的波动性质,则用频率
和波长
来描述。
并且两者有
2.4.2物质波的提出与验证
德布罗意于1924年创立了物质波学说,他大胆地设想每一物质的粒子都和一定的波相联系。
这一假设在1927年被戴维孙和革末的电子束衍射实验所证实。
其实验原理如下
衍射加强时的电子德布罗意波长应满足布拉格公式
式中
是入射电子束对晶面的掠射角,d是晶面间距。
晶面间距d与镍原子的间隔
的关系是
考虑第一级衍射极大,有
图5
由图5知电子相对于入射方向的散射角
与掠射角
之间有关系
,因此上式可写成
当加速电压U=54伏,加速电子的能量
,电子的德布罗意波长:
镍的原子间隔是21.5nm,由此求出衍射第一极大的散射角度:
实验测量出的值
,是理论值比实验值稍大的原因是电子受正离子的吸引,在晶体中的波长比在真空中稍小(动量稍大)。
经修正后,理论值与实验结果完全符合。
该实验表明不仅光具有波动性和微粒性,而且一切微观概念的实物粒子同样具有二象性,这是微观粒子的共有属性。
1925年玻恩提出的波粒二象性的概率解释建立了波动性和微粒性之间的联系。
光和一切微观粒子都具有波粒二象性,这个认识促进了原子核和粒子研究的发展,也推动人们去进一步探索光和物质的本质。
所以,对于光的本性的正确和全面的认识应该是:
光既具有波动性有具有粒子性;光在传播的过程中所产生的各种现象,可以用波动理论予以阐明;光与其他物质相互作用而涉及到能量交换的过程,必须考虑光的粒子性,而应该用量子力学的理论来处理。
2.4.3量子光学时期光学技术的成就
在量子力学以及量子电动力学的基础上,光学学科的理论结构显得更加坚实;但在20世纪30年代左右,光学仍与其他的物理学分支学科一样,并没有发掘出具有深远影响的新的现象和相应的理论。
不过仍然有一些值得一提的有趣的成果,它们是美国科学家迈克耳孙创建的天体干涉仪,并用以测量了宇宙中双星的张角;瑞典科学家采尼克发明了相衬显微镜,得以观察不染色而仍存活的细胞及透明的细胞质。
从表面上看,上述两种创造发明似乎都是属于光学技术方面的成就,但是实质上,它们蕴藏着对于光的波动性的深刻理解,因为这两位科学家都是利用了光波中的相位关系才获得了成功,而相位关系正是表征光的波动特性的一个重要参数,只有充分地理解它才能很巧妙地利用它。
2.5现代光学时期(20世纪中叶—)
从20世纪60年代起,特别是激光问世以后,由于光学与许多科学技术精密结合、相互渗透,一度沉寂的光学又焕发了青春,以空前的规模和速度飞速发展,它已成为现代物理学和现代科学中一块重要的前沿阵地,同时又派生出许多崭新的分支学科。
从1935年荷兰物理学家泽尼克提出的相衬显微术,到伽柏于1948年提出了波前记录与再现的全息术,1955年光学传递函数理论的创立,特别是1960年梅曼的激光问世,标志着光学迅速迈入现代光学时期。
2.5.1现代光学时期光学技术的成就
1958年肖洛和汤斯等提出把微波量子放大器的原理推广到光频段中去。
1960年,梅曼用红宝石制成第一台激光器;同年制成氦氖激光器;1962年产生了半导体激光器;1963年产生了可调谐染料激光器。
自此以后,激光科学技术的发展突飞猛进,在激光物理、激光技术和激光应用等方面都取得了巨大的进展。
激光现在已经广泛应用于打孔、切割、导向、测距、医疗和育种等方面,在化学催化、同位素分离、光通讯、光存储、光信息处理、生命科学以及引发核聚变等方面也有广阔的发展前景。
同步辐射光源的出现,是继电光源x射线光源激光光源之后光学领域中的又一革命性事件。
同步辐射的电磁波谱从红外线到x射线。
同步射线不仅强度高,而且指向性特佳。
同步辐射在科学研究和高技术诸如表面物理学、生物学和化学以及半导体制备和集成电路制造等领域都有广泛应用[6]。
同时全息摄影术已在全息显微术、信息存储、相差平衡、信息编码、全息干涉量度、声波全息和红外全息等方面获得了越来越广泛的应用。
光导纤维已发展成为一种新型的光学元件,为光学窥视(传光、传像)和光通讯的实现创造了条件。
它已成为某些新型光学系统和某些特殊激光器的组成部分。
由于光纤通讯具有使用范围广、容量大、抗干扰能力强、便于保密和节约钢材等优点,将逐渐成为远距离、大容量通讯的“主角”。
可以预见光计算机将成为新一代的计算机。
由于采取了光信息存储并充分吸收了光并行处理的特点,光计算机的运算速度将会成千倍地增加,信息存储能力可望获得极大的提高,更完善的人工智能便可成为现实[7]。
传统光学观察技术和其他新技术的结合,并向红外波段的扩展将使红外技术成功地应用于夜视、导弹制导、环境污染监测、地球资源考察及遥感遥测技术等。
2.5.2现代光学时期与光学有关的分支学科
随着新技术的出现,新的理论也不断发展,已逐步形成了许多新的分支学科或边缘学科。
将数学中的傅里叶变换和通讯中的线性系统理论引入光学,形成了傅里叶光学。
它不仅使人们用新的理论来分析光学现象,而且由此引入的空间滤波和频谱的概念已成为光学信息处理、像质评价、成像理论以及相干光学计算机的基础。
高度时间和空间相干性的高强度激光的出现,为研究强光作用下非线性光学的发展创造了条件。
非线性光学效应属于当今的光子学范畴。
激光光谱学的实验方法已成为深入研究物质微观结构、分子运动规律等方面的重要手段。
电子和光子是人们经常会涉及的两种粒子。
它们均是具有动量和能量的粒子,在与物质相互作用的过程时交换其能量和动量,所以它们之间存在着相似性。
光子可以像电子一样与物质相互作用,成为探测物质内部微观信息的一种灵敏的探针。
由于描述光波的参量,诸如振幅、相位、频率及偏振态等均会在光与物质相互作用的过程中发生变化,这种变化正是传递了物质中的诸多信息。
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