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标题: 《光学》- 十四 [打印本页]

作者: qjtrade2012 时间: 2012-10-24 15:29
标题: 《光学》- 十四
【光的波动说】关于光的本性的一种学说。第一位提出光的波动说的是与牛顿同时代的荷兰人惠更斯。他在17世纪创立了光的波动学说，与光的微粒学说相对立。他认为光是一种波动，由发光体引起，和声一样依靠媒质来传播。这种学说直到19世纪初当光的干涉和衍射现象被发现后才得到广泛承认。19世纪后期，在电磁学的发展中又确定了光实际上是一种电磁波，并不是同声波一样的机械波。19世纪60年代英国物理学家麦克斯韦在理论研究中发现，振动着的电荷或迅速交变的电流都会激起其周围的电磁场，并以波的形式向外传播，其传播速度与光速相同，从而提出光是电磁波的假说。1888年德国物理学家赫兹用实验证明了电磁波的存在，从此奠定了光的电磁理论。这一理论能够说明光的传播、干射、衍射、散射、偏振等许多现象。但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质，所以还需要近代的量子理论来补充。
【光的微粒说】关于光的本性的一种学说。17世纪曾为牛顿等所提倡。这种学说认为光由光源发出的微粒、它从光源沿直线行进至被照物，因此可以想像为一束由发光体射向被照物的高速微粒。这学说很直观地解释了光的直进及反射折射等现象，曾被普遍接受；直到19世纪初光的干涉等现象发现后，才被波动说所推翻。但在19世纪末和20世纪初，许多有关光和物质相互作用的现象，如光电效应，不能用波动说来解释，这促使爱因斯坦于1905年提出光是一种具有粒子性的实物（光子）。但这观念并不摒弃光具有波动性质。这种关于光的波粒二象性的认识，是量子理论的基础。
【光子】光量子之简称。基本粒子的一种，光子不显电性。光子的能量是量子化的。1905年爱因斯坦在解释光电效应时首次指出了光子的存在，从而揭示了光的波粒二象性。真空中的光子在不同参照系中都以光速c运动。如果光的频率为γ，则光子的能量为hγ（h为普朗克常数，动量为hγ/c，质量为hγ/c2）。但其静止质量为零。
【干涉】发出具有相同频率、相同振动方向和恒定相位差的两列（或两列以上）波在空间迭加时，在交迭区的不同地点加强或减弱的现象。这是波的一个重要特性。波在交迭的区域中，有些地方振动被加强，有些地方振动被减弱，形成明暗相间的“干涉图样”。水波的干涉是常见的现象。单色光波的干涉图样是明暗相间的条纹，复色光产生彩色条纹。利用光的干涉，可以精确地进行长度测量，以及检查表面的平滑程度等。利用电磁波的干涉，可作成定向发射天线。显然声波也可产生干涉。
【光的干涉】两列或多列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。在一般的情况下两个独立光源向空间的一个区域发出光波时不能发生干涉。不发生干涉的两个光源，只说明它们没有发出相干涉。通常的独立光源不相干的原因是：光的辐射一般是由原子的外层电子激发后自动回到正常状态以光的形式把能量放出所形成的。由于辐射原子的能量损失，加上和周围原子的相互作用，个别原子的辐射过程是杂乱无章而且常常中断，持续时间甚短，即使在极度稀薄的气体发光情况下，和周围原子的相互作用已减至最弱，而单个原子辐射的持续时间也不超过10-3秒。当某个原子辐射中断后，它自身或者其他的原子又受到激发重新辐射，但却具有新的初位相。这就是说，原子辐射的光波并不是一列连续不断、振幅和频率都不随时间变化的简谐波，即不是理想的单色光。此外，不同原子辐射的光波波列的初相位之间也是没有一定关系和规律。这些断续、或长或短、初位相不规则的波列的总体，构成了非相干的光波。由于原子辐射的这种复杂性，在不同瞬时迭加所得的干涉图样变化得如此之快和如此地不规则，以致这种短暂的干涉现象无法观测。从微观上看，光子只能自己和自己干涉，不同的光子是不相干的；但是从宏观上看，干涉现象却是大量光子各自干涉结果的统计平均效应。故实际的光的干涉对光源的要求也不是那么苛刻。由于60年代激光的问世，使光源的相干性大大提高，同时快速光电探测仪器的出现，探测仪器的时间响应常数缩短，以至可以观察到两个独立光源的干涉现象。1963年玛格亚和慢德用时间常数10-3～10－9秒的变象管拍摄了两个独立的红宝石激光器发出的激光的干涉条纹。可目视分辨的干涉条纹有23条。对于普通的光源，保证相位差恒定是实现相干的关键。为了解决发光机制中初相位的无规则迅速变化和干涉条纹的形成要求相位差恒定的矛盾，可采用把同一原子所发出的光波分解成两列或几列，使各分光束经过不同的光程，然后相遇，这样，尽管原始光源的初相位频繁变化，分光束之间仍然可能有恒定的相位差，因此可以产生干涉现象。通常用两种方法实现这种分解：（1）分波阵面法——将光源的波阵面分为两部分，使之分别通过两个光具组，经反射、折射或衍射后交迭起来，在一定区域形成干涉。由于波阵面上任何一部分都可以看成为新光源，而且同一波阵面的各个部分有相同的位相，所以这些被分离出来的部分波阵面可作为初相位相同的光源，不论点光源的位相改变得如何快，这些光源的初相位差却是恒定的，杨氏双缝、菲涅耳双面镜和洛埃镜等都是产生这类分波阵面的干涉装置。（2）分振幅法——当一光束投射到两种透明媒质的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。之方法叫做分振幅法。最简单的分振幅干涉装置是薄膜，它是利用薄膜的上下表面对入射光反复地反射，由这些反射光波在空间相遇而形成的干涉现象。由于薄膜的上下表面的反射光来自同一入射光的两部分，只是经历不同的路径而有恒定的相位差，因此它们是相干光。另一种重要的分振幅干涉装置，是万克耳孙干涉仪。光的干涉现象是光的波动性的最直接、最有力的实验证据。光的干涉现象是牛顿微粒模型根本无法解释的，只有用波动说才能圆满地解释这一现象。

作者: jiamou1990 时间: 2014-7-18 23:58
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