光的微粒说与波动说

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1、一、光的微粒说与波动说光的本性是什么？三百多年来，它一直是令人困扰，久盛不衰的课题，它牵动着那么多物理学家的神经，使他们忘寝废餐、苦苦求索。一代又一代才华横溢、学识渊博的学者、泰斗被卷入争论的旋涡，一座又一座“迷宫”出现在他们面前。这场争论极大地影响和推动了近代科学发展的进程，直接导致了《相对论》的诞生。追寻往事，令人感叹，发人深省。1．根深蒂固的微粒说远在古希腊时代，亚里士多德等先哲即对光的本性深感兴趣。他们认为光是从物体发出、射入眼睛引起视觉的客观现象，并总结出光的基本性质是：1、光在均匀媒质中直线传播；2、光线相互交汇时互不扰乱对方。十七世纪文艺复兴时期逐渐形成了光本性的两种学说－－

2、微粒说与波动说。17世纪的科学巨匠牛顿，也是光学大师。关于光的本性，牛顿是这样认为的：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒说．牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。但是，微粒说并不是“万能”的，比如，它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。为了解释这些现象，和牛顿同时代的

3、荷兰物理学家惠更斯，提出了与微粒说相对立的波动说。惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播的现象。波动说不但解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播，而且解释了光的反射和折射现象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反。谁是谁非，拉开了近代科学史上关于光究竟是粒子还是波动的激烈论争的序幕。尽管波动说可以解释不少光学现象，但由于它很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以没有得到广泛的支持。再加上当时受实验条件的限制，还无法测出水中的光速，便无法判断牛顿和惠更斯关于折射现

4、象的假设究竟谁对谁错。尤其是牛顿在学术界久负盛名，他的拥护者对波动说横加指责，全盘否定，终于把波动说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿迹。而微粒说盛极一时，在光学界称雄整个18世纪。2．英姿焕发的波动说进入19世纪以后，曾被微粒说压得奄奄一息的波动说重新活跃起来。一个个崭新的实验事实，使波动说雄姿英发，应付自如，进入了一个“英雄时期”。第一位向微粒说发起冲击的是牛顿的同胞托马斯•杨。1801年，年轻的托马斯•杨一针见血地说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威也许有时阻碍了科学的进步。”托马斯•杨为了证明光是一种波，他在暗室中

5、做了一个举世闻名的光的干涉实验。我们知道，干涉现象是波动的一个特性，托马斯•杨的成功，证明了光确实是一种波，它只有用波动说才能解释，微粒说对此一筹莫展。给微粒说以沉重打击的第二个实验是光的衍射实验。衍射现象也是波的基本特性之一，这是一种波在传播过程中可以绕过障碍物，或穿过小孔、狭缝而不沿直线传播的现象。法国物理学家菲涅尔设计了一个实验，成功地演示了明暗相间的衍射图样，在微粒说看来，光的衍射现象则是不可理解的。给微粒说以致命打击的是对光速值的精确测定。牛顿和惠更斯在解释光的折射现象时，对于水中光速的假设是截然相反的，谁是谁非，难以证实。到了19世纪中叶，法国物理学家菲索和付科，分别采用高速旋

6、转的齿轮和镜子，先后精确地测出光在水中的传播速度只有空气中速度的四分之三。又一次证明了波动说的正确性。经过反复较量，波动说终于压过了微粒说，取得了稳固的地位。到19世纪60年代，麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律，建立了光的电磁理论。到80年代，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。利用光的电磁说，对于以前发现的各种光学现象，都可以做出圆满的解释。这一切使波动说锦上添花，使它在同微粒说的论战中，取得了无可争辩的胜利。3．重整旗鼓的微粒说正当波动说欢庆胜利的时候，意外的事情发生了，以太存在的否定和光电效应的发现，这些新的实验事实又

7、一次要置波动说于死地。波动说认为，光是依靠充满于整个空间的连续介质——以太做弹性机械振动传播的。为了验证以太的存在，1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷使用当时最精密的仪器，设计了一个精巧的实验。结果证明，地球周围根本不存在什么机械以太。没有以太，光波和电磁波是怎样传播的呢？面对这一波动说难以克服的困难，微粒说跃跃欲试。光电效应的发现，使微粒说再次“复辟登基”。所谓光电效应，就是指金属在光的照射下，从金属表面释放出电子