PDF《-1-光学》

二、光的物理模型 在物理学中,人们要建立一门学科,总要先定义一些物理概念.物理概念是 对某种物质或现象的本质的描述和概括,反映了人们对事物认识的程度.因而在 不同的阶段,同一概念所包含的内容是不同的. 为了使物理概念形象化,人们往往建立物理模型来反映研究对象.例如,分子、原子、电子都是模型,电磁波也是模型.宏观物体的运动可以用质点运动模 型来描述,微观粒子的运动可以用量子模型描述.由于概念不断变化,反映概念 的模型也不断改进更新.对于光的认识,也是这样的一个过程.一方面,随着研 究的深入,光的物理模型发生了变化;

另一方面,光与不同物质相互作用时,表 崔宏滨 李永平 光学 引言 现出不同的特性,所以可以用不同的物理模型来描述光. 描述光的一个重要物理量是光的波长,可以用光的波长作为一种度量的尺度 或标准,光在与不同尺度的物体作用时,表现出不同的特征,因而可以用不同的 物理模型来描述. 1.光的宏观表现 如果观察光与宏观物体,即尺度比光的波长大得多的物体相互作用,则可以 用光线这一模型来描述其规律,光的直线传播定律、反射定律、折射定律等就是 关于光线的定律,由此构成几何光学.几何光学中最基本的概念是光线,即认为 光是由一束束的几何线组成. 几何光学是关于光的一个唯象理论,只是利用几何线来描述光在媒质中的传 播、反射和折射,主要用来处理光的成像问题.对于光的物理本质并不涉及.所以,无法从理论上说明光是如何传播的,也无法定义和导出光速、波长等概念. 1)光与小尺度物体的作用 光与介观尺度的物体,即尺度与波长可以比拟的物体相互作用时,则表现出 典型的波动特性,可以进行干涉、衍射.描述光的波动性的理论被称作波动光学. 波动光学是经典光学的核心内容,就是认为光是电磁辐射频谱的一段,即光 就是电磁波,从Maxwell 方程组出发,可以解决波动光学中诸如反射、折射、干涉、衍射、偏振、散射、色散等等问题. 2)光在原子尺度上的表现 由黑体辐射导致的 紫外灾难 ,在1900 年由 Plank 用量子假设解决.

1905 年,Einstein 用量子假设成功解释光电效应.

1921 年,Compton 用光量子解释了 X 射线与电子的散射. 从此以后,光量子的理论开始登上历史舞台,并获得了极大的成功.光的量 子理论的核心是光具有波粒二象性――一切量子现象的基本属性.但这里的 波动 和 粒子 的含义与最初 Huygens 所提出的波动性和 Newton 所提出的粒子 性是根本不同的. 综上所述,光线、光波、光量子等,都是光的物理模型,以这些物理模型作 为最基本的假设和出发点,分别建立了几何光学、波动光学和量子光学.它们都 是光学的重要分支,构成了现代光学的基本内容;

既相互关联,遵循相同的物理 规律,又相对独立,各有不同的应用领域和适用范围.在实际中,往往要根据具 体的情况,按照简捷实用的原则,采用不同的模型和理论处理不同的问题.

三、光学的发展及其成就 引言 -

4 - 光学是物理学的一个重要组成部分,也是一门基础学科.但是,自古以来, 即使是在真正意义上的物理学诞生之前,人们就已经根据所积累的经验和知识对 光进行研究和利用. 《墨经》 ,成书于公元前 4~3 世纪,据后人研究,其中有