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也解釋了光在物質中傳播的各種特點

發布時間:2019-12-04

 1665年牛頓進行太陽光的實驗,它能把太陽光分解成簡單的組成部分,形成一個顏色按一定順序排列的光分布——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征,各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。牛頓還發現了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學平玻璃板上,當用白光照射時,則見透鏡與玻璃平板接觸處出現一組彩色的同心環狀條紋;當用某一單色光照射時,則出現一組明暗相間的同心環條紋,后人把這種現象稱牛頓環。借助這種現象可用第一暗環的空氣隙的厚度來定量地表征相應的單色光。 [1] 
牛頓在發現這些重要現象的同時,根據光的直線傳播性,認為光是一種微粒流,微粒從光源飛出來,在均勻介質內遵從力學定律作等速直線運動,并且用這種觀點對折射和反射現象作了解釋。惠更斯是光的微粒說的反對者,他創立波動說,1690年在《光論》一書中寫道:“光同聲一樣,是以球形波面傳播的。” 并且指出光振動所達到的每一點都可視為次波的振動中心,次波的包絡面為傳播著的波的波陣面(波前)。在整個18世紀中,光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提了出來,但都不很完整。 [1] 
19世紀初,波動光學初步形成,其中以T.楊和A.菲涅耳的著作為代表。楊圓滿地解釋了“薄膜的顏色”和雙狹縫干涉現象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補充了惠更斯原理,由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理,用它可圓滿解釋光的干涉和衍射現象,也能解釋光的直線傳播。在進一步的研究中,觀察到了光的偏 振和偏振光的干涉。為了解釋這些現象,菲涅耳假定光是一種在連續介質(以太)中傳播的橫波。但是由此不得不把彈性固體的特性強加于以太,如此性質的以太是難以想象的,并且即使承認以太也沒有能把光學現象同其他物理現象聯系起來。 [1]  [2] 
1846年法拉第發現了光的振動面在磁場中發生旋轉;1856年W.韋伯發現光在真空中的速度等于電流強度的電磁單位與靜電單位的比值。它們表示光學現象與電磁學現象間有一定的內在關系。 [1] 
1860年前后麥克斯韋的理論研究指出,電場和磁場的改變,不能局限于空間的某一部分,而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著,光就是這樣一種電磁現象。這個結論在1888年為赫茲的實驗證實。按麥克斯韋的理論,若以c代表光在真空中的速度,v代表光在介電常數為ε和磁導率為μ的透明介質中的速度,則有:
c/v=(εμ)1/2
式中c/v恰為介質的折射率,所以有:
n=(εμ)1/2
上式給出了透明介質的光學常數n跟電學常數ε和磁學常數μ的關系。在認識光的物理性質方面,麥克斯韋理論較以前各種理論向前邁進了一大步。 [1] 
然而,這種理論不能說明產生頻率高達光的頻率的電振子的性質,也不能解釋折射率隨光的頻率而變所引起的光的色散。到了1896年H.洛倫茲創立電子論,才解釋了發光和物質吸收光的現象,也解釋了光在物質中傳播的各種特點,包括對色散現象的解釋。洛倫茲的理論中以太乃是廣袤無限的不動的介質,其唯一特點是,這種介質中光振動具有一定的傳播速度。 [1] 
對于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題,洛倫茲理論還不能給出滿意的解釋。并且,如果認為洛倫茲關于以太的概念是正確的,則可將運動的以太選作參照系,使人們能區別出絕對運動。而事實上,1887年A.邁克耳孫等用干涉儀測“以太風”得否定的結果,這表明到了洛倫茲的電子論時期,人們對光本性的認識仍然有不少片面性。 [1] 
1900年,普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念,提出了輻射的量子論,認為各種頻率的電磁波(包括光),只能以各自確定分立的能量從振子射出,這種能量微粒稱為量子,光的量子稱為光子。量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規律,而且以全新的概念提出了光與物質相互作用的問題。量子論不但給光學,也給整個物理學提供了新的概念,通常把它的誕生視為近代物理學的起點。 [1] 

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