1、Applied Optics1波粒之争一、前奏 二、风云骤起微粒说占据强势 三、证据迭出波动说开始反击 四、力挽狂澜波动说反败为胜 五、光电效应微粒说绝处逢生 六、电子是波微粒说后院起火 七、波动粒子归一统 德布罗意谱新篇 Applied Optics2争论的焦点人们对于光的本性的探索和认识经历了相当漫长曲折的过程，爆发过一连串的纷争和论战。论战的焦点：光到底是一束粒子流还是一种波。光学的发展过程实际上是跟人们对于光的本性的探索过程密不可分的。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Applied Optics3古时候v早在古希腊时期 学者们就已经开始了对于光的本性的讨论。 触
2、须说：眼睛发出某种类似触须的东西，一旦这些东西碰到物体，物体就被眼睛看见了。（欧几里德反射光学） “投射说”：眼睛放出一种射线到达远处的物体，然后眼睛通过分析弹回来的射线来产生视觉。Applied Optics4 v我国最早的光学知识的记录 我国春秋战国时期，墨翟 （公元前468-前376）及其弟子所著的墨经中，就记载着影的形成和小孔成像以及光在镜面（凹面和凸面）上的反射等现象，并提出了一系列经验规律。Applied Optics5v关于“影的形成”的记载“景迎日，说在转”“景日之光反烛人，则景在日与人之间”Applied Optics6v关于“小孔成像”的记载“光之入(煦)照若射，下者之入也
3、高，高者之入也下。足敝下光，故成景于上；首敝上光，故成景于下。在远近有端与于光，故景(瘴)库内也。”（经说下120条）Applied Optics7v关于“凹面镜、凸面镜成像”的记载经说下：“中之内：鉴者近中，则所鉴大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小，而必正；起于中缘正而长其直也。中之外：鉴者近中，则所鉴大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小，而必易；合于中而长其直也。”Applied Optics8对于墨经的评价v 钱临照先生说：墨子中关于光学的记录早于和超过古希腊的欧几里德，在世界科学史上应有崇高的地位。 v 英国著名科学史家李约瑟在“中国科学技术史”里说明：中国古代自然科学曾经达到较高水平，
4、不过没有产生近代实验科学而已。非常可惜，墨家关于科学观察与实验的思想远远超前于所处时代，人们很难领会、接受，以致被长期湮没，几乎失传。 v 张岱年先生说：如果墨学不绝，中国科学史必有更加辉煌的成就。 v 无论就时间还是就科学性来讲，墨经称得上是有关光学知识的最早记录，比希腊数学家欧几里德所著的反射光学早100多年。Applied Optics9反射定律发现很早反射定律发现很早v在我国，古代很早就有大量与光的反射现象相关的记载。v古希腊，柏拉图学派提到入射角等于反射角。v公元前大约3世纪就已发现反射定律。Applied Optics10折射定律几经沧桑折射定律几经沧桑v那时候也已有人开始研究折射
5、定律天文学家托勒密（公元100年-170年）v写有光学5卷v他的实验结论是：折射角与入射角成正比等到一千年以后有人推翻了他的结论Applied Optics11v他的观点是对的 阿拉伯学者阿勒哈森(Al-Hasen，965-1038)写过一部光学全书，并提出是由于物体发出的辐射被眼睛接收到，这样眼睛就能看到物体。v这种辐射就是“光”，光是视觉的信使。Applied Optics12可看作是光学发展的萌芽时期 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，在此期间光学发展比较缓慢。到15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件的相继出现，预示着新的时期即将
6、到来。Applied Optics13波粒之争的前奏v他们的工作和创新是不容忽视的v1610年 伽利略（意） 制作了望远镜，并用望远镜观察星体运动。v1611年 开普勒（德） 设计了开普勒天文望远镜。Applied Optics14v围绕折射定律的研究 有了新的进展v精确折射定律的最早 发现者：斯涅耳（1580-1626）斯涅耳的折射实验Applied Optics15v笛卡尔，1637方法论附录屈光学v笛卡尔说明折射用图Applied Optics16v费马，1661v最短时间原理费马推导折射定律用图Applied Optics17波粒之争的前奏v到了17世纪，已经有了光的“微粒说”和“波动
7、说”两种观点。1717世纪明确形成世纪明确形成了两大对立学说了两大对立学说微粒说微粒说牛顿（1642-1727）惠更斯（1629-1695) 波动说波动说Applied Optics18v关于微粒说创始人：牛顿主要观点：光是光源发出的一束高速运动的粒子流。v 光的直线传播v 光的反射、折射v 光的色散（不同微粒）v 认为光在媒质中的传播速度v大于cApplied Optics19v关于波动说最早的波动说：格里马第，1655奠基人：惠更斯最早的倡导人之一：胡克（英）主要观点：光是一种波。v 光的折射v 光的色散（不同频率）v 认为光在媒质中的传播速度v小于cv 必须借助于所谓“以太”介质Appl
8、ied Optics20v到底孰是孰非？主要有以下问题：1.光在介质中的传播速度大于C还是小于C？v 微粒说认为前者对v 波动说认为是后者2.两束光线相交时何以能互不相扰？v 微粒说无法解释（很苦恼）v 波动说：波具有能独立传播的特质（很轻松）Applied Optics213.为什么光照下物体会有清晰的影子？v 微粒说：直线传播（很轻松）v 波动说：波会发生衍射，就是会绕过障碍物。（很苦恼）4.“以太”是否存在？v 微粒说表示怀疑v 波动说极力证明，牵强解释v两种学说有太多不同，难于协调，一场剧烈的学术纷争即将爆发。Applied Optics22风云骤起 微粒说占据强势v事情是这样的v巴罗
9、：牛顿的数学老师。v1663年牛顿开始热衷于光学研究，并于1666开始研究色散现象，同年提出光的微粒理论。Applied Optics23v关于色散 一个古老的课题v13世纪德国传教士西奥多里克在实验中模仿天上的彩虹 v 西奥多里克论彩虹手稿中的一页装满水的大玻璃球装满水的大玻璃球Applied Optics24v1637年笛卡尔在方法论中还有一篇附录，专门讨论彩虹。v笛卡儿的棱镜实验屏离棱镜太近啦屏离棱镜太近啦Applied Optics25v牛顿的色散实验牛顿的高明之处牛顿的高明之处牛顿描绘色散实验的插图Applied Optics26牛顿的判决性实验Applied Optics27v16
10、72年牛顿的那份关于色散现象的研究报告v牛顿很生气，后果很严重v历时300多年的波粒之争拉开大幕v刚开始：牛顿VS胡克Applied Optics28v惠更斯来了v 1678年 明确指出光是一种机械波， 并借助“以太”介质传播。v 继胡克后， 惠更斯扛起波动说大旗。v 惠更斯当时在数学、天文学、 光学等诸方面已多有建树， 被荷兰人视为国宝级人物。 惠更斯描绘光波的示意图Applied Optics29v牛顿发飙了v 1704年， 发表了一部伟大的著作光学 1.以微粒说系统的阐明了 各种光学现象。2.对波动说提出质疑，进行批判。v在整个十八世纪， 微粒说占据着统治地位。 Applied Opti
11、cs30证据迭出 波动说开始反击v十九世纪初，波动说平地一声春雷v 1801年，托马斯.杨（英） 首次成功地进行了光的双缝干涉实验，确凿的证明了光的波动性，并成功的解释了“牛顿环”现象。Applied Optics31 托马斯杨的双缝干涉实验Applied Optics32v除了托马斯，还有马吕斯v 1808年，法国人马吕斯 发现了光在反射和折射时的偏振现象。 Applied Optics33v但似乎问题并没有这么简单v 杨的理论当时受到不少人的攻击，并未能被科学界承认。v 微粒学派声称牛顿早已有言在先：偏振是光的微粒呈现非对称状态所致。v 观点与偏振矛盾，杨有些退却，但并未放弃光的波动说。v
12、 得有人站出来Applied Optics34力挽狂澜 波动说反败为胜v影子中心的亮点v 事情要追溯到1818年法国科学院举行的那次征文竞赛1.竞赛的内容：科学解释光的衍射现象2.竞赛的评委中有一个人叫泊松3.评委们的期望Applied Optics35v一名土木工程师也提交了一篇论文这篇论文基于光的波动理论，以严密的数学推导，解释了光的衍射现象。v这位工程师就是菲涅耳 物理光学的缔造者Applied Optics36v 泊松评委的怀疑和排斥： 不透明小圆盘的影子中心会有一个亮点？v 实验证明这个亮点真的存在！v菲涅耳获胜，波动说翻身。Applied Optics37v光速的测定v 最早的测光
13、速实验是伽利略做的。v 1676年，罗默观测木星卫星运动，首先证实光速有限。卫星蚀法卫星蚀法Applied Optics38v此后不久，惠更斯根据罗默的数据第一次推算出光速约为 米/秒。v1728年，布拉得雷在接受罗默的理论之后，用光行差的方法直接测出光速 米/秒。81028101 . 3 天行差法天行差法Applied Optics39v在地面上测光速v 19世纪50年代，斐索和傅科，旋转镜法。斐索傅科Applied Optics40v阿拉果的实验方法v这是旋转镜法的前身v一开始两人合作实验v后来掰了，各做各的Applied Optics41v1849年，斐索先用旋转齿轮法测出光速。v地面上
14、用实验方法测定光速的第一人。斐索的旋转齿轮法 3.153Applied Optics42v 1850年，傅科用旋转镜法测量出水中的光速大约是空气中的光速的3/4。v 1862年,傅科改进了原有的实验装置，测得光在空气中的速度为289000千米每秒。 傅科的旋转镜法Applied Optics43v 1874年，考尔纽改进了斐索的旋转齿轮法，2.999v 1879年，迈克尔逊改进了傅科的旋转镜法，2.99910.0005Applied Optics44v 1883年，迈克尔逊，精益求精，2.99853v 40多年后，迈克尔逊， ，2.99796旋转棱镜法迈克耳孙(1926年)的光速实验示意图（这
15、是他的手迹）Applied Optics45v1973年，国际标准值299792458米/秒。v1983年，作为“米”的新定义。v光速的测定意义非凡！v 对微粒说和波动说的判决v 光是电磁波的推断（电磁波的速度等于光速）v 狭义相对论的提出（光速不变）Applied Optics46v割不掉的“以太”尾巴v 1815年，实验得出的结论是：折射率等于1的真空和折射率近似等于1 的空气均不能带动以太。 v 1887年，迈克尔逊和莫雷在克利夫兰进行了一个著名的“迈克耳逊莫雷实验”，却得出了史上著名的“零结果”。v “在物理学的晴朗天空出现了一片乌云” 。Applied Optics47v一个光辉的预
16、言v1865，麦克斯韦（英）1.建立了著名的电磁理论，预言了电磁波的存在。2.推算出电磁波在真空中的传播速度为 。3.还把光学拉了进来。4.不经意，帮了波动说的大忙。Applied Optics48v赫兹推波助澜v 1888年，赫兹(德） 用实验证实了电磁波的存在，发现了波长较长的电磁波。v 光的电磁理论基础被正式确立，光从此成为电磁波家族中的一员。Applied Optics49v“以太”尾巴被终于割掉了v 20世纪初，爱因斯坦的相对论问世，确认光波能在真空中传播。v 割掉了“以太”尾巴，了却了后顾之忧。v光的波动说由此发展到了十分完美的地步 电磁波说。Applied Optics50光电效
17、应 微粒说绝处逢生v先来说说这个“光电效应”v 光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，金属中的自由电子在光照下吸收光能被激发并逸出金属表面从而形成电流，即光能生电。v 光电效应现象是由赫兹于1887年发现。(与1888年发现无线电波是做的同一种实验）Applied Optics51v这下，波动说要挠头了v 按照电磁波理论，光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅决定的，与频率无关。因此，不论光的频率如何，只要光强度足够大或照射时间足够长，都应能产生光电效应。然而实验中发现存在着 一个极限频率，当频率低于这个极限频率的光，不论其强度多么大，都不能产生光电效应；频率高
18、于极限频率的光，即使其强度很弱，也能立即产生光电效应。 Applied Optics52v光电效应出难题，爱因斯坦创新说 v 1905年，爱因斯坦（美、瑞） 提出在空间传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子的能量为E = h v 。v 实际上他是受到了普朗克量子论的启发。 Applied Optics53v普朗克又是谁？v 年，普朗克（德） 在研究电磁辐射能量分布时提出了量子假说，认为电磁波的发射和吸收不是连续地，而是一份一份地进行的，每一份就是一个量子，其能量等于hv。这里v为光的频率，h为普郎克恒量。 量子物理学的开创者和奠基人 Applied Optics54v还
19、回到爱因斯坦的创新说上来v 后来叫做“光子说”v 能很好的解释光电效应v 彻头彻尾的“微粒说”？v 光子说并没有否定波动说，正像波动说不能否定微粒说一样。v 对于光子这样微观粒子，只有从波粒二象性出发，才能说明它的各种行为。 v难道光子真的具有波粒二象性？Applied Optics55电子是波电子是波 微粒说后院起火微粒说后院起火v有人说：其实，电子也是波！v 这个人就是德布罗意（法）v 1924年，德布罗意在他的博士论文中宣称：电子也是波。v 1927年，小汤姆逊发现了电子的衍射图像。v 他还断言所有的微观粒子都有波的特性。 物质波（德布罗意波）Applied Optics56波动粒子归一统 德布罗意谱新篇 v争了三百年，打了个平手v 光到底是“粒子”还是“波动”的争论得到解决： 在某些方面，光表现的象经典的“波动”，在另一些方面表现的象经典的“粒子”，光有“波粒二象性”。v 不仅光子具有波粒二象性，一切微观粒子包括质子、中子、电子都具有波粒二象性。v 光的波粒之争至此告一段落。v 人们对光的本性的探索却并未终止Applied Optics57光学老又新，前程端似锦
