经典光学的形成.ppt

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 n 1.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1267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（965-1038）(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 n1299年，发明了眼镜，意大利人阿玛蒂制造 了眼镜。 n1608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 n 1666-1704年间，牛顿用色散原理解释了 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，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 。 2)氢的前四根谱线的波长可以从这一基数，相继乘 以系数9/5，4/3，25/21，9/8。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。 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。 该公式发表在论化学元素线光谱的结构一 文中。 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。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2.998108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。 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（1854-1912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，命名为射线。 四、 发现电子的JJ汤姆逊 背景:早在1834年,法拉第发现电