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  • 光學的研究及發展

    作者:佚名 來源:網絡文檔 時間:2019-04-02 10:20 閱讀:5454 [投稿]
    本文介紹了光學的發展簡史,系統地概述了光學發展的萌芽時期、幾何光學時期、波動光學時期、量子光學時期、現代光學時期等五大歷史時期,為大家提供一套關于光學發展歷史的理論參考。

    摘要:光學是一門既古老又年輕的學科,是物理學中一個重要的分支。光學是一門研究光(電磁波)的行為和性質,以及光和物質相互作用的物理學科。光學是物理學中最古老的一門基礎學科,傳統內容十分豐富。本文介紹了光學的發展簡史,系統地概述了光學發展的萌芽時期、幾何光學時期、波動光學時期、量子光學時期、現代光學時期等五大歷史時期,為大家提供一套關于光學發展歷史的理論參考。 

    關鍵詞:光學 光學的研究發展 量子 

    前言:光學是一門研究光(電磁波)的行為和性質,以及光和物質相互作用的物理學科。光學是物理學中最古老的一門基礎學科,傳統內容十分豐富,如光的產生、傳播、本性等等:光學又是當今科學領域中最活躍的前沿陣地之一,激光的問世使得光學煥發青春,如光子學、信息光學、光通信等等。光學的發展是一個漫長而曲折的歷史過程,主要經歷了萌芽時期、幾何光學時期、波動光學時期、量子光學時期、現代光學時期等五大歷史時期。 

    1.光學的萌芽時期 

    光學的起源和力學、熱學一樣,可以追溯到兩三千年以前。春秋戰國時期墨子(公元前468―376年)及其弟子所著《墨經》中記載:直線傳播、光在鏡面上的反射等現象,并提出了一系列的實驗規律。這是有關光學知識的最早紀錄。西方也很早就有光學知識的記載,歐幾里德(Euclid,公元前330~275)的《反射光學》研究了光的反射,提出了反射定律和光類似觸須的投射學說。 

    大約公元100年克萊門德和托勒密研究了光的折射現象,最早測定了光在兩介質界面的入射角和折射角。阿拉伯學者阿勒·哈增(AI-Hazen,965 1038)寫過一部《光學全書》,討論了許多光學現象。公元1 1世紀阿拉伯人伊本·海賽木發明了透鏡,到16世紀初,凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件也已相繼出現。這些光學元件的發明推動了光學進一步向前發展。 

    2.幾何光學時期 

    1608年荷蘭人李普塞發明第一架望遠鏡,17世紀初延森和馮特納(Fontana)發明了第一架顯微鏡。1610年伽利略制作了望遠鏡,并用望遠鏡觀察星體運動。1611年開普勒發表《折光學》,設計了開普勒天文望遠鏡。1630年斯涅爾(Snel1)和笛卡爾(Descartes)總結出光的折射定律。這些發明和發現是光學由萌芽時期發展到幾何光學時期的重要標志。 

    直到1657年費馬(Fermat)得出著名的費馬原理,并從原理出發推出了光的反射和折射定律。這兩個定律奠定了幾何光學的基礎,光學開始真正形成一門科學。牛頓在1666年提出光的微粒理論:光是高速運動的細小微粒。能夠解釋光的直線傳播和反射折射定律,但不能解釋牛頓圈和光的衍射現象。惠更斯在1678年提出光的波動理論:光是在“以太”傳播的波。成功的解釋了光的反射和折射定律,方解石的雙折射現象,但他的理論沒有指出光的周期性和波長的概念,沒有脫離幾何光學的束縛。此后100多年時間里兩種理論不斷爭斗,18世紀以前微粒理論占上風,這種優勢在19世紀初被打破。 

    3.量子光學時期 

    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。他認為各種頻率的電磁波,包括光,只能以各自確定分量的能量從振子射出,這種能量微粒稱為量子,光的量子稱為光子。量子論很自然地解釋了 

    灼熱體輻射能量按波長分布的規律, 以全新的方式提出了光與物質相互作用的整個問題。量子論不但給光學,也給整個物理學提供了新的概念,所以通常把它的誕生視為近代物理學的起點。 

    1905年愛因斯坦發展了光的量子理論,成功地解釋了光電效應,提出了光的波粒二象性。至此,光到底是“粒子”還是“波動”的爭論得到解決:在某些方面,光表現的象經典的“波動”,在另一些方面表現的象經典的“粒子”,光有“波粒二象性”。這樣,在20世紀初,一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現象確證了光是電磁波;而另一方面又從熱輻射、光電效應、光壓以及光的化學作用等無可懷疑地證明了光的量子性――微粒性。  

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