光学

**章 光是什么 本章首先通过光学发展简史的介绍，对光的本性是什么和光有哪些特性作一简要的阐述，让读者对光的本质有个正确的理解和整体的概念；然后，从光在不同层次上表现出来的不同特性出发，对光学现象进行分类。在以后的各章中我们正是以“光是什么”为主线，对光的本性分不同的层次，逐步深入地加以介绍，读者在阅读过程中应牢记这一主线。 1-1 光是什么 自从有了人类以来，人们的社会生产和社会生活活动就离不开光。灿烂的阳光照亮了地球，给地球带来了生命和活力，人们所以能看到五彩缤纷、瞬息万变的世界，是因为眼睛接收到物体发射、反射或散射的光。据统计，人类感官收到外部世界的总信息中，至少有90%以上通过眼睛，正因为如此，人们对光学现象和光的本质引起了极大的兴趣，那么光到底是什么呢？ 一、光是粒子还是波 光究竟是什么，即光的本性是什么，一直是学者们注意和探讨的中心。到了17世纪，由于光学特别是几何光学得到了一定的发展，因而关于光的本性问题引起人们越来越大的兴趣。在探索中逐渐形成了两种相互对立的理论，即光的微粒说和光的波动说。 首先提出光的微粒模型的是笛卡儿，后来牛顿成为这种观点的代表人物。促使早期学者们相信光的微粒说齣主要原因可能有两个：一是在均匀介质中，光似乎是沿直线路径传播的，这就是所谓直线传播定律；二是那时人们认为光能够在真空中传播，而任何波的传播都必须有传播介质，因此，光应当是微粒，而不是波。 图1-1 牛顿试图用经典力学理论来解释光微粒的运动规律。他用光微粒的惯性运动很容易地解释了直线传播定律。他把光在界面上的反射看成是与弹性小球在光滑桌面上反射一样属于同样的力学过程，来解释光反射现象，在解释光的折射时，他是这样分析的：假设一个光微粒在xy平面（入射面）内入射，在两种介质的界面(y=0平面)上发生折射，如图1-1所示，由于所受到的力垂直于界面，所以光微粒在平行界面方向的动量分量(x分量)守恒，设光线入射角为i1，折射角为i2，动量x分量守恒将给出如下方程： (1-1-1) 牛顿认为光微粒在介质两边的质量不变，所以光在折射时应满足下列规律： (1-1-2) 将上式与荷兰科学家斯涅耳(W.Snell)在1618年发现的折射定律 (1-1-3) 相对照可见，根据牛顿的结果，光在较密介质（n较大）中有较大的速度，但这被后来发现的事实证明是错误的。 牛顿在用微粒说解释“牛顿环”时，是很牵强和难以令人信服的。他不得不假定，光线在牛顿环实验中能“发生容易的反射和容易的透射”，虽然以牛顿为代表的光微粒说解释了当时发现的一些光学现象，但对实验中相继发现的干涉、衍射和偏振等现象，都无法给出令人信服的解释。 与光的微粒说同时，光的波动说也在渐渐地发展，格里马迪(F.M.Grimaldi，1618～1663)首先观察到光的衍射现象，他在一个小光源照明的小棍阴影中观察到光带。后来胡克(Hooke，1635～1703)和玻意耳（R.Boyle，1627~1691）各自独立发现了**个干涉现象，即薄膜产生的彩色。胡克首先提出了光是由快振动组成，并以非常大速度传播的观点。惠更斯(C.Huygens)后来发展了这种观点，他根据光的独立传播原理认为，光不可能是微粒子流，如果光是微粒子流，那么从不同的方向射向同一点的光线就不可能相互独立地穿过。1678年他在《论光》中写道：“光*不可思议的性质是，从不同甚至相反方向射来的诸光线互相穿过，一点也不妨碍彼此的行动。”他注意到光的这一性质与声学现象相似，从而提出了光本性的波动学说。他从机械波的观点出发，接受了笛卡儿的“以太”思想，认为宇宙间（包括物体内部）充满了一种弹性介质--以太。光源在以太中产生一个扰动后，以太的振动传播过程就形成了光波。 为了解释光的传播问题，1690年惠更斯提出一个假设：在波的传播过程中，波阵面上的每一个点都可以看作是发射次波的次波源，在其后的任一时刻，这些次波的包络面就是新的波阵面。这个假设后来被称为惠更斯原理，他用这个假设不但成功地解释了光的反射和折射现象，还解释了晶体的双折射现象。 下面我们看看他是如何解释光的折射现象的：如图1-2所示，设想一束平面波以入射角i1射到介质1，2的分界面上，过Ai作波阵面与入射光线垂直，Ai点*先与界面相遇，随后是波阵面上其余各点（图中只画出A2，A3，A4三点）陆续传播到界面，当通过A4的波线经过一段时间后到达B4的同时，由Ai点发出的透射次波已形成半径为V2 △t的半球面，这里v1，v2分别为介质1，2中的波速，与此同时B2，B3各点先后发出的透射次波也形成不同大小的半球面，根据惠更斯原理，这时刻折射波的波阵面是所有这些次波面的包络面。不难证明，折射波的波阵面是通过B4而且与Ai发出的球面次波相切的直线，设切点为C，则连接A、C即得到折射光线。由图1-2不难看出，因此，有 于是，有 同样对照斯涅耳定律可知，光在不同介质中的传播速度与介质折射率成反比，即光密介质中光速较小，这与粒子说的错误结论正好相反，这也为后来光的波动说战胜光的机械微粒说设下伏笔。 图1-2 光的折射的惠更斯解释 由于这一时期光的波动说还很不完善，另一方面，由于牛顿在力学上的杰出贡献，使他在科学界有巨大的权威。而这种权威像一件殓衣罩在波动说上，使它的拥护者透不过气来，使波动说几乎停滞了一个世纪之久，但即使在这个时候仍有许多物理学家坚持光的波动说，其中较著名的科学家有罗蒙诺索夫和欧拉。 第二个时期，可以说是光的波动说初步确立的时期。1801年杨氏(T.Young)*先用干涉原理令人满意地解释了白光照射下薄膜颜色的由来和用双缝显示了光的干涉现象，并**次成功地测定了光的波长。1808年马吕斯(E.L.Malus)偶然发现玻璃窗反射阳光的偏振现象，随后菲涅耳(A.J.Fresnel)和阿喇果(D.Arago)对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。1816年他俩一起完成了线偏振光的叠加实验。为了解释这些现象，杨氏在1817年提出了光波和弦中传播的波相仿的假设，认为光是一种横波，菲涅耳进一步完善了这一观点并导出了菲涅耳公式。 光学史上富有戏剧性的一幕是光微粒说的拥护者拉普拉斯(P.S.Laplace)和毕奥(J.Biot)提出将光的衍射问题作为1818年巴黎科学院悬奖征文的题目，期望对这个题目的论述*终使微粒说取得胜利。但结果事与愿违，奖金授给了以波动理论为其论述基础的菲涅耳。自此之后的一系列研究很快地就使光的微粒理论声誉丧失殆尽，菲涅耳将惠更斯原理与干涉原理结合起来，成功地解释了光的直进和光的衍射现象，并计算了直边、小孔、小屏产生的衍射。特别令人印象深刻的是，泊松(S.D.Poisson)从菲涅耳理论推出一个结论，即在小圆盘阴影中心应该出现一个亮斑点，而阿喇果由实验证明了这一论断的正确性。这一事实给光微粒说一沉重打击。 1850年傅科(L.Foucault)、斐佐(H.L.Fizeau)和布雷格特(L.Breguet)进行了一项由阿喇果首先建议的仲裁实验。微粒说用“光粒子在界面上受到向光密介质这边的吸引”来解释折射，这就要求光在光密介质中的光速比较大；相反，波动说根据惠更斯作图，要求光在光密介质中光速较小。傅科等直接测量了空气和水中的光速，结果判定了波动理论的胜利。 二、为什么说光是电磁波 虽然波动说在解释光的干涉、衍射、偏振现象时获得了巨大成功，从而确立了波动理论的牢固地位，但这时的波动论者仍认为，一切波动必须在某种介质中才能得到传播。如果光是一种波动，而且能在真空中传播，那么光波赖以传播的介质是什么呢？他们不得不假定存在一种特殊的介质——“光以太”，为了与光传播的实验事实相符，必须赋予“以太”种种异乎寻常的甚至互相抵触的特性，例如，光既然能在真空中和透明介质中传播，那么“以太”应该充斥整个空间，渗入到一切透光物质中；光速是如此之大，“以太”就必须具有极大的弹性，但它又必须非常稀薄，因为天体的运动显然并未受到阻碍。为了解释光在各种不同介质中有不同速度，又必须认为“以太”的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性介质中还需要有更复杂的假设，此外，还必须给“以太”更特殊的性质，才能解释光波中没有纵波的现象，这种密度无限小、弹性非常大，并且还有许多附加性质的“以太”是令人难以想像的，于是就暴露了光弹性理论严重的内在困难。此外，这个理论既没有指出光学现象和其他物理现象间的任何联系，也没有能把表征介质特性的各种光学常数和介质的其他参数联系起来。19世纪初，电磁学得到了发展。1846年法拉第(Faraday)发现了光的振动面在磁场中发生旋转，这表明光学现象与磁学现象间存在内在联系，这一发现使人们获得新的启发，即必须把光学现象和其他物理现象联系起来考虑，而不能孤立地研究光的本性。 到19世纪中叶，麦克斯韦(J.C.Maxwell)成功地把电磁学领域内所有前人发现的规律总结为一个完备方程组，从这一电磁方程组出发，导出了电磁场所遵从的波动方程，从理论上预言了电磁波的存在，并证明了电磁波的横波性，麦克斯韦在研究电磁波动方程时发现，电磁波在真空中的传播速度等于静电单位电量（或电流）与电磁单位电量（或电流）的比值。只要在实验上用这两种不同的单位制测量同一电量值，就能计算出电磁波在真空中的传播速度。1856年科耳劳希(Kohl-rausch)和韦伯(Weber)完成了这些测量，麦克斯韦根据他们的数据计算出电磁波在空气中的传播速度为3.1074×108m/s，并发现这个数值非常接近于斐索在1849年测得的光速值3.1485×108 m/s。以此为主要依据，麦克斯韦认为光波是一种电磁波，这就是著名的光的电磁波理论。1888年，赫兹(H.R.Hertz)用实验直接产生和探测了电磁波，测出电磁波的波长和频率，并由此计算了电磁波的传播速度与光速相同；并证明电磁波和光一样，能产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，后来的实验又证明，红外线、紫外线和X射线也都是电磁波，它们彼此的区别只是波长不同而已，现代实验还告诉我们，对于波长为毫米的电磁波，既可以用光学方法产生（称红外线），也可用电磁学方法产生（称微波），这就更进一步证明了光波和无线电波在电磁本质上完全一致。光的电磁理论以大量无可辩驳的事实赢得了普遍的公认。 光波是电磁波的一种，它与其他电磁波并无本质的不同，只是所处的波长范围不同而已，光波的波长通常用纳米(nm)或埃(A)来表示，1nm＝10-9m，1A＝o.1nm=10-10m。图1-3是电磁波谱图，从图中可以看到各种不同电磁波的频率分布情况。 图1-3 电磁波谱图 但光电磁理论的建立并没有动摇存在“以太”的信念，它只是以电磁“以太”代替了弹性“以太”。 1896年洛伦兹( H.A.Lorentz)创立了电子论，他把物质的宏观电磁性质归结于物质中的电子效应，他不仅解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，特别是对色散现象作了较合理的解释，同时，在他的理论中，洛伦兹认为，电磁“以太”是一种广袤无限的不动的介质，其**的特往是，在这种介质中光振动具有一定的传播速度。 根据洛伦兹的理论，人们意识到，如果洛伦兹关于“以太”的概念是正确的话，即存在着静止不动的宇宙“以太”的海洋，那么将“以太”选作参考系，就能使人们测量出一切物体相对于“以太”的运动——物体的绝对运动。 在这种观点指导下，出现了测量“以太风”的热潮，其中著名的实验有1851年的斐索实验，1881年的迈克耳孙-莫雷实验(Michelson-Morley)，还有英国布拉德利(J.Bradley)在18世纪20年代所发现的“光行差”现象，在用“以太”理论分析这些实验和现象时，得到了截然相反的结论，使“以太”理论陷入了