光的波动学说是如何发展的

光的波动学说是如何发展的
光的波动学说是如何发展的

光的波动学说是如何发展的
1．微粒说——牛顿——光是沿直线高速传播的弹性粒子流.
(1)实验基础：光的直线传播.
(2)能解释的现象：牛顿认为光是一种细微的大小不同的而又迅速运动的粒子,这些粒子遵守力学定律,它们在真空中或均匀介质中由于惯性而作匀速直线运动,因此,光的微粒说能较好地简明直观地解释光的直线传播和光的反射定律以及影的形成和光的色散现象.
(3)微粒说的困难：
①解释光的折射定律比较麻烦,根据牛顿的推算,光在介质中速度要比光在真空中速度要大(后来知道这是错误的,可是当时无法判断这个推算正确与否).
②不能解释光的独立传播定律：如几束光相遇后会彼此毫无妨碍地继续向前传播.光的独立传播与光的机械微粒流概念是不相容的,它成为微粒说的致命弱点.
③在介质表面同时存在的反射及折射现象：牛顿认为光的反射是由于光微粒受到介质的排斥所致,折射是微粒受到介质的吸引所致,那么一束光射到介质表面时,既有反射又有折射,为什么介质对光微粒“有亲有疏”呢?
④光的衍射现象更难用微粒说解释.
2．波动说——惠更斯（早期波动说）——光是某种振动在介质中以波的形式向外传播,即光是某种波.
(1)实验基础：光的独立传播规律.
(2)能解释的现象：波的反射、折射现象比较常见,所以波动说解释光的反射、折射是可以令人信服的；对光叠加后又可无妨碍地继续向前传播的解释,也是比较完美的.
(3)波动说的困难：由于惠更斯时代对光的波长是“很短、很短”这一点还不清楚,因此对光照射到不透明物体后会留下清晰的影子,还解释不了(亦即解释不了光的直线传播规律)尽管当时已发现了光的衍射现象,却没有给波动说提供什么理论优势.
二、微粒说与波动说的争论
①争论的焦点：对折射现象的分析,两种学说得到不同结论：微粒说得出光在光密介质中光速大于光疏介质中光速；波动说得出光在光密介质中光速小于光疏介质中光速.但是,由于当时实验条件限制,无法测量光速,所以无法判断谁对谁错,因此二者争论达一个世纪多.
②微粒说的称雄：两学说几乎是同一时代产生的,各有成功的一方面,但都不能完美地解释当时知道的各种光现象.但19世纪以前,微粒说一直占统治地位,其原因有以下几点：
a．在17、18世纪中经典力学已成了完美的科学体系,在解释自然现象时和应用于实践方面十分得力.人们自然容易接受机械运动模型光的微粒说.
b．牛顿的威望比惠更斯高,权威们的思想观点容易被人们所接受.
c．波动说还不完善,比较粗糙,对解释光的直线传播没有足够的说服力.
(2)波动说的复兴
①托马斯·扬的贡献：托马斯·扬提出了光具有频率和波长,完善了光波概念.他在实验室中做了独创的双孔干涉实验,成功地观察到了光的干涉现象,并且总结出了干涉原理.
②菲涅耳的贡献：菲涅耳以光波干涉的思想补充了惠更斯原理,明确了惠更斯原理的物理意义(后来称为惠更斯——菲涅耳原理).成功地解释了各种衍射现象.
【说明】泊松亮斑：
菲涅耳理论公布以后,著名数学家泊松根据菲涅耳的理论推算出在圆板阴影的中心应该出现一个亮斑.由于从来没有人报道过这样的事情,并且在影子中央出现亮斑,似乎是十分荒谬的,所以泊松兴高采烈地宣布他驳倒了菲涅耳的波动理论.但菲涅耳和阿拉果立即用实验精彩地证实了这一结论,后来人们把这种现象戏称“泊松亮斑.”
3．电磁说：麦克斯韦——光是一种电磁波.
(1)实验基础：
①光和电磁波一样都具有波的性质,都能产生反射、折射、干涉、衍射现象.
②光和电磁波在真空中的速度相等,均等于c=3.0×108m/s.光和电磁波都可以在真空中传播.
③光和电磁波都是横波.
④实验验证：赫兹在实验中产生了电磁波,并且证明了电磁波也跟光波一样具有反射、折射、干涉、衍射等性质.他还通过干涉实验测出了一定频率的电磁波的波长,算出了电磁波的波速,结果跟麦克斯韦关于电磁波的波速等于光速的预言符合得相当好.这就证明了麦克斯韦的光的电磁理论是正确的.至此,光的波动理论上升为一个崭新的阶段——光的电磁波动理论阶段.
4．光子说：爱因斯坦——在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量跟它的频率成正比.
光子能量E=hv,其中h为普朗克恒量,h=6.63×10-34J·s.
(1)实验基础：光电效应.光的波动理论在光电效应面前遇到了无法逾越的障碍.爱因斯坦针对光电效应现象在普朗克量子假设的基础上提出了光量子假设：电磁辐射不仅在发射和吸收时是以能量为hv形式出现,而且还以微粒的形式在空间以光速传播.即电磁场实际上以量子形态存在,它不仅在吸收和发射时能量是分立的,就是在传播中也具有同样性质；电磁场由光量子组成,每一份光量子的能量为hv,这里,他肯定光具有粒子性,但并不否定光的波动性.牛顿的微粒说是爱因斯坦光量子思想的起源.他用动量和能量来描述光的粒子性,用波长和频率来描述光的波动性.爱因斯坦光量子理论的重要意义,不仅在于对光电效应作出了正确的解释,更重要的是将光视为是波动论和微粒论的一种融合体——光的波粒二象性,使人们对光的本性的认识更前进了一大步.