浅析人类对光的探索过程

【摘要】光在日常生活中应用非常广泛，本文仅就人类对光的探索过程和光在现代科学技术中的应用进行具体分析。

【关键词】光；激光；本质；探索；应用【中图分类号】G633.7 【文献标识码】B【文章编号】2095-3089（2012）13-0154-01

我们生活的世界五彩斑斓，绚丽多彩，各种事物都呈现出不同的色彩，这些都是光的作用。光与人们的生活密切相关，不仅展现事物绚丽多姿的一面，也为我们提供了生存所需的能量。自古以来人们探索光的脚步就从未停下，从简单的小孔成像到激光技术的应用，这个漫长的历程中留下了许多前人智慧的结晶。总结人类对光的开发与展望。

1日常生活中的一些光学现象

光学现象在日常生活中应用广泛，如眼镜、显微镜、望远镜、平面镜等应用的是光的折射和反射原理。物理学中的影，是指光在传播过程中遇到不透光的物体时，在物体后面光不能直接照射到的区域所形成的跟物体相似的黑暗部分称为影，其原理是光的直线传播。最早验证光沿直线传播的是我国墨家学派的代表人物墨翟和他的学生做的小孔成像实验。在日常生活中光的直线传播或利用光的直线传播的“影”现象还很多。物理学中的像，是光线沿直线传播或经过反射、折射后汇聚或在其反向延长线方向汇聚而形成的和物体大小形状相像的图景。像又可以分为实像和虚像。实像是光线实际会聚而成的像，虚像是光的反向延长线相交而形成的。实像和虚像都可以被眼睛观察到，但实像可以用光屏承接到，虚像不能被光屏承接到，因为，光线并没有到达虚像所在的位置。小孔成像成的是实像。厚平板玻璃成的是虚像。小孔成像的原理是光的直线传播，平面镜和球面镜成像的原理是光的反射，透镜成像原理是光的折射。在医学影像中，X光、CT都是利用X射线照射人体，通过X射线透过人体后的变化显影，获得X光片、CT片，作为诊断依据的。核磁共振是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。X光、射频脉冲信号都是看不见的电磁波，和可见光相似。而胃镜、肠镜及其它内窥镜则是经过摄像系统的光学成像原理成像并显示在荧屏上的，是实实在在的物体所成的实像。

2光本质的探索过程

2.1波动说和微粒说： 十七世纪中期科学界曾创建了对于光的本质认识的学说，其中之一认为光是极为微小的粒子，因而称为“微粒说”，另一种则认为光是波动运动而称为“光的波动说”。

微粒说的代表人物是英国物理学家牛顿，他以极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年，牛顿在家休假期间用三棱镜进行了著名的色散试验。一束太阳光通过三棱镜后，分解成几种颜色的光谱带，再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住，只让一种颜色的光再通过第二个三棱镜，结果出来的只是同样颜色的光，由此发现了白光是由各种不同颜色的光组成的。为了验证这个发现，牛顿又设法将几种不同的单色光合成白光，并且计算出不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象，揭开了物质的颜色之谜，物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛顿把自己的研究成果发表在《皇家学会哲学杂志》上。牛顿的分光试验使几何光学进入了一个新的领域：物理光学。牛顿提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直線运动路径。

与牛顿同一时代的科学家惠更斯发展了光的波动学说，在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理.他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心。他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光束彼此交叉而不相互影响，并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象。惠更斯提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理，打破了当时流行的光的微粒学说。

牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论，并由此而产生激烈的争议和探讨，科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战。因牛顿在学术界的权威和盛名，所以“微粒说”一直占据着主导地位。

2.2光的电磁波假说和证明： 英国物理学家麦克斯通过对电磁现象的研究，建立了电磁学，并将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而确立了波动说的地位。1873年，麦克斯韦在发表了"三部曲"之后，又潜心写出了经典著作《电磁通论》，这部元典相当于电磁学的百科全书，甚至可以与牛顿的《自然哲学之数学原理》相媲美。它系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。

1887年，德国科学家赫兹（Heiich Rudolf Hertz，1857-1894）用实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性。赫兹在实验中同时也证实了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子，这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。

2.3光电效应和爱因斯坦光电量子理论： 1887年赫兹在研究电磁波性质时发现，如果用紫外光照射电极，那么电极间的放电就变得容易“点着”了。演示这种现象时，将一个阴极置于真空管内，并用光照射它。这时就开始有电子从阴极飞出。这些电子向正电极（方向）运动，产生很微弱的电流。爱因斯坦大胆假设：光和原子电子一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。

根据光量子假说，爱因斯坦顺利地推出普朗克公式，并且还提出了一个光电效应公式。光量子假说成功地解释了光电效应。当紫外线这一类的波长较短的光线照射金属表面时，金属中便有电子逸出，这种现象被称为光电效应。它是由赫兹（H.R.Hertz l857—1894）和勒纳德（P.Lenard l862—1947）发现的。1900年，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释上的困难，创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说。量子假说的提出对现代物理学，特别是量子论的发展起了重大的作用。普朗克在做了大量的实验后又提出了电磁波这种形式的能量辐射，使人们认识到电磁波是某种粒子，既光量子。为了强调光的粒子属性，光量子被称之为“光子”，光子的质量在运动中显示出来。1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。

3光在现代科学技术中的应用

光在近代科学技术上的应用极为广泛，其中光纤通信和激光技术的发展尤为迅速。

3.1光纤通信： 光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。光纤通信技术具有频带极宽，通信容量大；损耗低，中继距离长；抗电磁干扰能力强；无串音干扰，保密性好的特点。所以在现代通讯技术上占据主导地位。

3.2激光技术： 激光是20世纪60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用.激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，现在已开发出20多种激光加工技术。

参考文献

[1]林榕.人类对光本质认识的历程[J].物理教师，1995.10（2）

[2]江铭波.光本性研究的历史与前景[J].湖北工业大学学报，2006，02：9-11

[3]章志明，沈元华，陈惠芬.《光学》[M].高等教育出版社，2009，12：117

[4]李艳平，申先甲.《物理学史教程》[M].科学出版社，2003：117-141.

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