惠更斯的波理论将光定义为波,类似于水中产生的声波或机械波。另一方面,牛顿声称光是由他称为微粒的物质粒子组成的。
光一直引起人类的兴趣和好奇心。这样,自诞生以来,物理学的基本问题之一就是揭示光的奥秘。
克里斯蒂安·惠更斯
由于这些原因,在整个科学史上,都有不同的理论试图解释其真正的本质。
然而,直到十七世纪末和十八世纪初,以艾萨克·牛顿和克里斯蒂安·惠更斯的理论为更深入地理解光奠定了基础。
惠更斯波光原理
1678年,克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)提出了他的光波理论,后来在1690年的《光论》中发表了这一理论。
这位荷兰物理学家建议,光会以一组波的形式向各个方向发射,这些波穿过他称为以太的介质。由于波浪不受重力影响,因此他假设波浪进入较密的介质时速度会降低。
他的模型对解释Snell-Descartes反射和折射定律特别有帮助。它还令人满意地解释了衍射现象。
他的理论从根本上基于两个概念:
a)光源发出的球形波类似于在水面上发生的波。这样,光线由方向垂直于波表面的线定义。
b)波的每个点又是次级波的新发射中心,次级波的发射频率和频率与初级波的特征相同。次级波的无限远没有被感知,因此由这些次级波产生的波就是它们的包络。
但是,惠更斯的波浪理论并未被他那个时代的科学家接受,除了罗伯特·胡克(Robert Hooke)这样的例外。
牛顿的威望和他的力学取得的巨大成就以及理解以太概念的难题,使大多数当代科学家都选择了英国物理学家的微粒理论。
反射
反射是一种光学现象,是当波倾斜入射在两种介质之间的分离面上并发生方向变化时发生的,该反射现象与运动能量的一部分一起返回到第一介质中。
反射定律如下:
第一定律
反射射线,入射光和法线(或垂直)位于同一平面上。
第二定律
入射角的值与反射角的值完全相同。
惠更斯原理使我们能够证明反射定律。发现当波到达介质的分离时,每个点成为发射次级波的新的发射器焦点。反射的波前是次级波的包络线。反射的二次波阵面的角度与入射角完全相同。
折射
然而,折射是当波倾斜地撞击具有不同折射率的两种介质之间的间隙时发生的现象。
发生这种情况时,波会渗透并传播半秒钟,并带有一部分运动能量。由于波在不同介质中传播的速度不同,会发生折射。
当将物体(例如铅笔或圆珠笔)部分插入一杯水时,可以观察到折射现象的典型示例。惠更斯原理为折射提供了令人信服的解释。位于两种介质之间边界处的波阵面上的点充当新的光传播源,因此传播方向发生了变化。
衍射
衍射是波浪的一种特殊的物理现象(在所有类型的波浪中都会发生),其中包括当波浪在路径中遇到障碍物或穿过狭缝时,波浪的偏转。
应当记住,仅当波被尺寸与其波长相当的障碍物扭曲时才会发生衍射。
惠更斯理论解释说,当光落在狭缝上时,其平面上的所有点都成为波的次要来源,如前所述,它发出新的波,在这种情况下,称为衍射波。
惠更斯理论的未解之谜
惠更斯的原理遗留了一系列问题。他声称波阵面上的每个点反过来又是新波的源头,但未能解释为什么光会向后和向前传播。
同样,对以太概念的解释也不是完全令人满意,这也是他的理论最初未被接受的原因之一。
波浪模型的恢复
直到19世纪才恢复了波浪模型。这主要归功于托马斯·杨(Thomas Young)的贡献,他在光是纵波的基础上设法解释了所有的光现象。
具体来说,在1801年,他进行了他著名的双缝实验。通过该实验,Young验证了当来自远处的光源通过两个狭缝后发生衍射时,来自远方光源的光中的干涉图样。
以同样的方式,Young还通过波动模型解释了彩虹色不同颜色下白光的散射。他表明,在每种介质中,构成光的每种颜色都有其特征频率和波长。
这样,由于这个实验,他展示了光的波特性。
有趣的是,随着时间的流逝,该实验证明了证明光的微粒波对偶性的关键,这是量子力学的基本特征。
参考文献
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