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光学基础知识

光学基础知识

物理学的一个部门。光学的任务就是研究光的本性,光的辐射、

传播与接收的规律;光与其她物质的相互作用(如物质对光的吸收、散射、光的 机械作用与光的热、电、化学、生理效应等)以及光学在科学技术等方面的应用。

17世纪末,牛顿倡立“光的微粒说”。当时,她用微粒说解释观察到的许多光 学现象,如光的直线性传播,反射与折射等,后经证明微粒说并不正确。1678 年惠更斯创建了“光的波动说”。波动说历时一世纪以上,都不被人们所重视, 完全就是人们受了牛顿在学术上威望的影响所致。当时的波动说,只知道光线会在

遇到棱角之处发生弯曲,衍射作用的发现尚在其后。1801年杨格就光的另一现象(干涉)作实验(详见词条:杨氏干涉实验)。她让光源S的光照亮一个狭长的缝隙S,这个狭缝就可以瞧成就是一条细长的光源,从这个光源射出的光线再通1

过一双狭缝以后,就在双缝后面的屏幕上形成一连串明暗交替的光带,她解释说 光线通过双缝以后,在每个缝上形成一新的光源。由这两个新光源发出的光波在

抵达屏幕时,若二光波波动的位相相同时,则互相叠加而出现增强的明线光带, 若位相相反,则相互抵消表现为暗带。杨格的实验说明了惠更斯的波动说,也确 定了惠更斯的波动说。同样地,19世纪有关光线绕射现象之发现,又支持了波 动说的真实性。绕射现象只能借波动说来作满意的说明,而不可能用微粒说解释。

20世纪初,又发现光线在投到某些金属表面时,会使金属表面释放电子,这种

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现象称为“光电效应”。并发现光电子的发射率,与照射到金属表面的光线强度

成正比。但就是如果用不同波长的光照射金属表面时,照射光的波长增加到一定限

度时,既使照射光的强度再强也无法从金属表面释放出电子。这就是无法用波动说

解释的,因为根据波动说,在光波的照射下,金属中的电子随着光波而振荡,电 子振荡的振幅也随着光波振幅的增强而加大,或者说振荡电子的能量与光波的振

幅成正比。光越强振幅也越大,只要有足够强的光,就可以使电子的振幅加大到 足以摆脱金属原子的束缚而释放出来,因此光电子的释放不应与光的波长有关。

但实验结果却违反这种波动说的解释。爱因斯坦通过光电效应建立了她的光子学

说,她认为光波的能量应该就是“量子化”的。辐射能量就是由许许多多分立能量元

组成,这种能量元称之为“光子”。光子的能量决定于方程 E=hν

式中E=光子的能量,单位焦耳

-34h=普朗光常数,等于6、624?10焦耳?秒

ν=频率。即每秒振动数。ν=c／λ,c为光线的速度,λ为光的波长。现代的观念,则认为光具有微粒与波动的双重性格,这就就是“量子力学”的基础。

在研究与应用光的知识时,常把它分为“几何光学”与“物理光学”两部分。适

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应不同的研究对象与实际需要,还建立了不同的分支。如光谱学,发光学、光度 学,分子光学、晶体光学,大气光学、生理光学与主要研究光学仪器设计与光学 技术的应用光学等等。

严格地说,光就是人类眼睛所能观察到的一种辐射。由实验证明光就

就是电磁辐射,这部分电磁波的波长范围约在红光的0、77微米到紫光的0、39微米

之间。波长在0、77微米以上到1000微米左右的电磁波称为“红外线”。在0、39

微米以下到0、04微米左右的称“紫外线”。红外线与紫外线不能引起视觉,但

可以用光学仪器或摄影方法去量度与探测这种发光物体的存在。所以在光学中光

的概念也可以延伸到红外线与紫外线领域,甚至X射线均被认为就是光,而可见光

的光谱只就是电磁光谱中的一部分。

物理学上指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外线、

红外线与X光线等不可见光)的物体。通常指能发出可见光的发光体。凡物体自

身能发光者,称做光源,又称发光体,如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都 就是。但像月亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们瞧到它们,这样的反

射物体不能称为光源。在我们的日常生活中离不开可见光的光源,可见光以及不

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可见光的光源还被广泛地应用到工农业,医学与国防现代化等方面。光源主要可

分为:热辐射光源,例如太阳、白炽灯、炭精灯等;气体放电光源,例如,水银 灯、荧光灯等。激光器就是一种新型光源,具有发射方向集中、亮度高,相干性优

越与单色性好的特点。

光学中以光的直线传播性质及光的反射与折射规律为基础的学科。它研究一般光学仪器(如透镜、棱镜,显微镜、望远镜、照相机)的成像

与消除像差的问题,以及专用光学仪器(如摄谱仪、测距仪等)的设计原理。严 格说来,光的传播就是一种波动现象,因而只有在仪器的尺度远大于所用的光的波

长时,光的直线传播的概念才足够精确。由于几何光学在处理成像问题上比较简

单而在大多数情况下足够精确,所以它就是设计光学仪器的基础。

光学中研究光的本性以及光在媒质中传播时各种性质的学科。物理光学过去也称“波动光学”,从光就是一种波动出发,能说明光的干涉、衍射

与偏振等现象。而在赫兹用实验证实了麦克斯韦关于光就是电磁波的假说以后,物

理光学也能在这个基础上解释光在传播过程中与物质发生相互作用时的部分现 象,如吸收,散射与色散等,而且获得一定成功。但光的电磁理论不能解释光与 物质相互作用的另一些现象,如光电效应、康普顿效应及各种原子与分子发射的

特征光谱的规律等;在这些现象中,光表现出它的粒子性。本世纪以来,这方面 的研究形成了物理光学的另一部门“量子光学”。

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光源发出之光,通过均匀的介质时,恒依直线进行,叫做光的直

进。此依直线前进之光,代表其前进方向的直线,称之为“光线”。光线在几何 光学作图中起着重要作用。在光的直线传播,反射与折射以及研究透镜成像中, 都就是必不可少且要反复用到的基本手段。应注意的就是,光线不就是实际存在的实物,

而就是在研究光的行进过程中细窄光束的抽象。正像我们在研究物体运动时,用质

点作为物体的抽像类似。

指地球进入月球的本影中,太阳被遮蔽的情形。当太阳、月球与

地球在同一条直线上时便会发生。月球每月都会处于太阳与地球之间,不过日食

并不能每月瞧到,这就是因为白道(月球的轨道)平面对地球轨道有5?的倾角。 月球可能时而在黄道之上或时而在黄道之下,故其阴影不能落在地球上。只有当

太阳、月球与地球在一直线内,才能产生日蚀。如果地球的某一部分在月影之内,

即发生日蚀;日蚀有全蚀、偏蚀、环蚀三种。地球上的某些地方正位于月球的影

锥之内(即在基本影之内)这些地方就能观瞧到日全蚀。锥外虚影所射到的地方 (即半影内的地方)则瞧到偏蚀。月球离地球较远的时候,影锥尖端达不到地面, 这时从圆锥的延长线中央部分瞧太阳的边缘,还有狭窄的光环,这就就是发生的环

蚀现象。环蚀在亚洲,一百年中只能遇见十几次,在一个小地区欲见环蚀者,数 百年也难得有一次机会。月影投到地面上,急速向西走,所以某一地点能够瞧见