光的本性

泰山学院本科生毕业论文(设计)浅谈对光的本性的认识所在学院物理与电子工程学院专业名称光信息科学与技术年级二〇一〇级学生姓名、学号闫盛任2010080139 指导教师姓名、职称鲁晶讲师完成日期二〇一四年五月三十日摘要光学是物理学中一门很古老的基础学科，也是至今物理学领域最活跃的前沿之一。

然而光学也是通过一场磨难和斗争才发展起来的，它的历史被看成自然科学史的典范，对光本性认识的争论是光学发展的主要驱动力。

没有光就没有我们这个缤纷多彩的世界，然而光的本性是什么呢?对于这个问题人们很早以来就有不同的认识，人类对光本性的认识却有一段非常曲折的历史。

因此，本文通过对光本性认识历程介绍，进一步深化及完善对光的本性的认识，更好的理解光的波粒二象性。

关键词:光本性，微粒说，波动说，波粒二象性ABSTRACTOptical physics in the more ancient a basic discipline, and is currently one of the most active frontier areas of physics. However, also after an ordeal and optical struggle was developed, its history is the history of natural science as a model for understanding the nature of light is one of the main arguments of optical power development.It is because the light only the achievements of our colorful world, and what is the nature of light is? Since ancient times, people on this issue have different understanding of the nature of human understanding of light there for a tortuous history. Therefore, this paper describes the process of understanding the nature of light, wave-particle duality to deepen understanding of the nature of light, a better understanding of light.Key Word : Light nature, Corpuscular theory, Fluctuations says, Wave-particle duality目录1引言 (1)1.1对光本性认识的背景 (1)1.2对光本性认识的意义 (1)2对光本性的认识历程 (2)2.1光学的早期发展 (2)2.2光的波动说 (2)2.2.1 胡克指出光的波动性 (2)2.2.2 惠更斯原理，发展了光的波动学说 (3)2.3光的微粒说 (3)2.4光的波动说的复兴 (4)2.5光的电磁理论 (4)2.6光的量子理论 (5)2.7光的粒子说 (6)2.8光的波粒二象性 (6)3对几个问题的讨论 (8)4几点有益的启示 (10)参考文献 (11)致谢 (12)1 引言1.1 对光本性认识的背景光的本性是一个古老物理问题，也是一个困难的物理问题，更是一个非常重要的基础物理问题，它有长达350年的历史。

17世纪中期形成两种对立的学说，一种是以牛顿为首的微粒说，另一种是以惠更斯为首的波动说。

后来，一些著名的物理学家，包括爱因斯坦为之付出了长期的努力。

回顾光学的发展过程，每个时期对光本性的认识都是片面的，受到很多条件的影响，对光本质的认识是一个不断深化的过程。

光学是人类较早用来认识和改造自然界的科学之一，它在科学与技术的发展史上占有重要的地位，近50年来，它以令人炫目的发展速度以及和其他科学技术的广泛结合，使这门古老学科焕发出新的活力，随着光学的高速发展，如光学与生物技术的结合，光电子技术和信息光学技术的发展，激光的出现及应用等都使光学成为至今世界上备受关注的，有多学科交叉的新兴前沿研究热门领域[1]。

1.2 对光本性认识的意义随着光科学技术的不断发展，光的应用也渗入到生活的方方面面，光能更引起人们的关注，在激光问世之后，光学这门古老的学科迅速发展。

不但对几何光学、物理光学的内容作出了补充，也形成了很多新的学科分支，如光谱学、生物光学、信息光学、应用光学和量子光学等[1]，使得对波动现象的研究层次越来越高、越来越深奥，加深了学科知识，推动了自然科学的发展。

在上世纪初，量子论和相对论的诞生是对光本性讨论的直接结果。

继续深化量子论和相对论的理解和认识，能够促进新的学科的发展，我们希望这两个理论能够对光的本性的认识带来突破性的进展，能够促进物理学基础性改革。

2 对光本性的认识历程2.1 光学的早期发展古希腊时代就开始对光进行了探索，古希腊的学者对视觉进行思考，认为视觉是由物体表面发出的一些粒子进入眼睛时产生的。

而古希腊伟大的思想家亚里士多德认为[2]：视觉的产生是由于介质作用，物体使介质发生变化，它进入人眼时，人就可以看到了。

所以，没有中间介质的作用，人就看不到任何东西。

这是波动说思想的起源。

1604年，刻卜勒对光的一些现象产生了极大的兴趣，最终他对光的直射现象、反射现象和视觉作了初步介绍。

1620年，斯涅尔开始研究几何光学的现象，最终发现了几何光学的两条基本定律[3]：反射定律和折射定律，它对光学的发展奠定了初步的基础。

1637年，法国物理学家笛卡儿提出了光的性质的两个假说[4]。

一种假说是：光就像微粒的一种物质；另一种假说是：光是一种以“以太”为媒质的压力。

尽管笛卡儿强调媒介对光的影响作用，但这两个假说为微粒说和波动说的形成埋下了伏笔。

以笛卡儿和斯涅尔两人的光学成果为代表，几何光学和物理光学在17世纪初期已奠定初步的基础。

2.2 光的波动说2.2.1 胡克指出光的波动性1655年，意大利的格里马第首先在实验室里看到了光的衍射现象，这是光的波动理论的萌芽。

1665年，胡克的《显微术》一书中提出光是一种振动[5]。

他举出两个石块相互摩擦在黑暗中会发光的现象，提出相互摩擦的一部分应该处在运动之中，由于石块非常坚硬，确定了光的振动是很短的。

胡克在分析光的传播时，提出了光的速度大小是有限的，在均匀介质中，这种运动以相同的速度向各个方向传播，因此发光体的每次振动成球面向四处扩散，就像物体投入水中由中心点向四面八方所形成的圆圈一样，而球面和射线以直角相交。

胡克还对薄膜颜色的形成做了研究，提出了薄膜颜色由于两束强弱不同的光通过不同的界面经过反射和折射后相互作用所形成的，这里包含着波面、干涉等波动说的基本概念。

2.2.2 惠更斯原理，发展了光的波动学说第一位明确提出波动说的是荷兰物理学家惠更斯，在1690 年，他出版的《论光》中指出光是一种运动。

他发现[6]：“光线向每个方向以极高的速度传播，以及光线从不同的位置出发时，其光线在传播中彼此穿过而互不影响”。

因此，光是以不同的方式传播的，他把光的传播方式和空气中声音的传播方式相比较，明确地提出了光是一种波动的思想，他认为光和声音的波一样都是球面波。

惠更斯不仅从现象上诠释光的波动现象，并且从理论上归纳出普遍的规律，于是他提出了著名的惠更斯原理。

他使用次波原理解释了反射和折射现象，对于方解石的双折射现象也做出了完美的解释，但是，他没有给波动过程加以实验和理论的证明，也没有对波长的概念加以说明，由于他的原理中说光波和声音的波一样都是纵波，并且对波动过程的周期性概念也没有作出合理的解释，因此，惠更斯原理不能解释颜色的形成，也无法解释光的干涉、衍射和偏振现象。

2.3 光的微粒说牛顿开始对光的色散现象的问题进行研究，提出了光的粒子理论，他指出[7]：单色的光束是不能再改变的。

它们可以说是组成光的“原子”，就像组成物质的原子。

支持牛顿说法的认为[8]：单色光是由单一粒子组成的，白光是由所有单色光混合而成的，白光通过棱镜分成各种单色光，使各种光粒子有不一样的偏转角度。

因而光的色散现象可以说是粒子理论的一个证明，而那时的波动理论很难解释光的色散理论问题。

1704年，牛顿写了一本《光学》[9]，他根据光的直线传播性质，表述光是微粒流的观点。

他认为光的直线传播是由于一些粒子飞出光源，在真空或均匀的材料内因为惯性而作匀速直线运动。

他说：“光线是不是发光物质发射出来的很小的物体？因为一些物体可以直线通过均匀介质没有弯曲到阴影的区域，这正是光线的性质。

”牛顿对光的折射、衍射和干涉等现象做出了合理的解释，促进了光的微粒说的发展。

牛顿在分析折射定律时，保持微粒说的看法[9]，认为光在光密介质中的速度比光疏介质中的速度快，但这在那时不能通过实验来验证。

牛顿解释光的衍射现象时认为，当光粒子通过物体的边缘时，因为存在引力的作用，使光束进入到阴影部分。

在对薄膜干涉解释时，“牛顿环”现象的发现，让他确定了光的周期性理论。

从以上可以看出，牛顿对光的本性的观点还是倾向于粒子理论，但仍有一点波动理论的观点，并且牛顿的支持和崇拜者们却把牛顿选为粒子理论的代表。

2.4 光的波动说的复兴英国科学家托马斯·杨没有被牛顿的声望所阻止，他不相信科学上绝对的对与错，任何细节都能够带来决定性的变化。

他通过对水波现象的观察，提出了[10]光的“干涉原理”，并进行了非常出名的双缝干涉和衍射实验。

他通过总结，提出了为了显示干涉，同一束光源的两个不同的部分，通过完全不同的路径，然后能够合并在一块，大概可以看到干涉现象。

法国物理学家菲涅尔以子波相干叠加的思想补充了惠更斯的干涉原理，提出了惠更斯—菲涅尔原理[11]，运用这个原理，对光在均匀介质中直线传播现象和光的干涉、衍射现象都做出了合理的解释。

2.5 光的电磁理论19 世纪下半叶,建立了光的电磁理论,它是进一步深化、扩展和升华了光的波动说。

1864年，英国物理学家麦克斯韦出版了《电磁场的动力理》论一文，建立了电磁场方程组[12]。

他预言了电磁波的存在，麦克斯韦是非常细心的科学家，他没有把这种情况当做巧合，而是相信其中一定有物理学上的秘密，最终得出这样的结论[13]：光是一种横波，它存在于媒质之中，这种媒质是电现象和磁现象的原由。

并求出电磁波的传播速度为μευ1=其中μ为介质的磁导率，ε为介电常数。

因此电磁波在真空中的传播速度为 3×108m/s 。