五味人生

学生让总结一下高中课本中间出现过的物理学人物和事件，查了点资料准备整理一下。

光的性质 关于光的性质，在十七世纪有两个学说并立：一是以牛顿为代表的微粒理论，一是以惠更斯为代表的波动理论。微粒理论认为，光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。微粒理论能直接说明光的直线传播定律，并能对光的反射和折射作一定的解释。所谓惯性定律，指的是牛顿运动定律的第一运动定律：任何物体都将继续保持静止或匀速直线运动状态，直到其他物体对它施加作用力迫使它改变这种状态为止。所谓光的直线传播定律，指的是几何光学的基本定律之一：在同一种均匀的、各自同性的透明媒质中，光在两点之间总是沿着连结这两点的直线传播的。显然，由惯性定律确能直接说明光的直线传播定理。当光线由一种媒质射向另一种媒质时，在两种媒质的平滑分界面上，被分为反射光线和折射光线。光线经分界面返回到第一种媒质中的现象称为光的反射。回到第一种媒质中的光线称为反射光线。光线经分界面进入第二种媒质中的现象称为光的折射，进入第二种媒质中的光线称为折射光线。有光的反射定律与光的折射定律。光的反射定律： 1．反射光线在入射光线和过入射点的法线所决定的平面内； 2．入射光线和反射光线分居法线的两侧； 3．反射角等于入射角。光的折射定律： 1．折射光线在入射光线和过入射点的法线所决定的平面内； 2．折射光线和入射线分居法线的两侧； 3．入射角θi　　的正弦与折射角θi 的正弦的比值，对给定的两种媒质来说是一个常数，该常数称第二媒质对第一媒质的相对折射率。即            sinθi                  ＝n21        (1)            sinθi 常数n21取决于两媒质的性质及入射光的波长，不取决于入射角的大小。该公式也可以表示为：           n1sinθi　＝n2sinθi      (2) 其中n1 n2分别为第一媒质、第二媒质的绝对折射率。相对折射率与绝对折射率的关系为：                 n2           n21 ＝              (3)                 n1 上述第二种表示又称斯涅耳折射定律。它表示光线和界面法线夹角的正弦与其所在媒质的折射率之乘积为一不变量。(4) 微粒说对光的反射定律和折射定律的解释为：光的微粒由光源发出后，在透明的均匀媒质中依惯性定律飞行。当微粒遇到反射面时，它们象弹性小球一样地反跳。这时微粒的切向速度v1不变，而法向速度vn反转，从而反射角等于入射角。为了解释折射定律，则需要假设在媒质界面存在着一种力，它使微粒通过界面时法向速度发生改变，v2n不等于v1n。由于切向速度v1t＝v1sinθ1 与v2t＝v2sinθ2 相等，于是            sinθi      v2                  ＝        (4)            sinθi     v1 由于在各向同性媒质中速度v1 v2与光的传播方向无关，上式右端是一个与入射角无关的常数，这样便解释了光的折射定律。不过当（4）式与（1）式，（3）式比较后，有            v2     n2                 ＝           (5)            v1     n1 亦即在光的微粒说看来，在光密媒质中光“微粒”的速度较大。例如，光在水中的速度比在空气中的速度大。这一结论后来为傅科的实验所否定。(5) 惠更斯的波动理论认为，光是在一种特殊弹性媒质中传播的机械波。这种理论也解释了光的反射和折射现象。(6) 然而，惠更斯认为光是纵波，他的理论是很不完善的。十九世纪初，托马斯·杨和菲涅耳等人的实验和理论工作，把光的波动理论大大推向前进，解释了光的干涉、衍射现象，初步测定了光的波长，并根据光的偏振现象确认光是横波。根据光的波动理论研究光的折射，得出的结论是光在水中的速度小于在空气中的速度，这一结论在1862年为傅科的实验所肯定。所谓光的干涉，指的是两束（或多束）频率相同，振动方向一致，位相差恒定的光在空间叠加后，其强度分布与原来两束（或多束）光的强度之和不同的现象。所谓光的衍射，指的是光在传播过程中遇到障碍物时产生的偏离直线传播的现象。从广义上说，偏离几何光学传播规律的现象，都称为衍射，亦称绕射。按照惠更斯—菲涅耳原理，衍射的发生是由于光在传播过程中波面受到某种限制，自由波面发生了破损的结果。所谓光的偏振是指波的振动方向相对于波的传播方向的一种空间取向作用。光波的电振动相对于传播方向具有不对称性的光称为偏振光。光波是电磁波，麦克斯韦从理论上证明了光波的电矢量和磁矢量都垂直于光波的传播方向，即光是横波。在与传播方向垂直的二维空间里电矢量有各种各样的振动状态。这些状态称为光的偏振状态。常见的偏振状态有五种。即自然光、平面偏振光、部分偏振光、圆偏偏振光和椭圆偏振光。惠更斯—菲涅耳的波动理论有机械论的弱点。把光现象看成某种机械运动过程，认为光是一种弹性波，就必须臆想一种特殊的弹性“以太”媒质充满空间，但这种密度极小，弹性模量极大的“以太”媒质，实验上却证实不了。后来麦克斯韦建立了电磁理论，确信光是一种电磁现象，是波长较短的电磁波。1888年赫兹实验发现了波长较长的电磁波—无线电波也有反射、折射、干涉、衍射等与光波类似的性质。稍后，实验又证明红外线、紫外线、χ射线等也都是电磁波。由此，光的波动理论以电磁波的形式得到了公认。关于光的性质，1900年，普朗克有能量子假说。能量子假说认为，物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是连续变化的，而是以一定数量值的整数倍跳跃式地变化的。也就是说，在辐射的发射和吸收的过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小单元。这个不可分的最小的能量单元，普朗克称它为“能量子”或“量子”，它的数值为          ε＝hγ 式中希腊字母ε(艾普西龙) 为能量子，γ(伽马) 是辐射频率。h叫做“作用量子”，是一个普适常数，以后被人们称为“普朗克常数”。h的值，1986年国际推荐为            h＝6.6260755(40)×10-34焦耳·秒在普朗克假设的基础上，爱因斯坦1905年提出了光量子假说。爱因斯坦不满足于普朗克提出的把能量的不连续只局限于辐射的发射和吸收过程，他进一步提出即使在空间传播的过程中，辐射也是不连续的，辐射是由不可分割的能量子组成的。这种能量子，爱因斯坦称为“光量子”。对于频率为γ的辐射，它的一个光量子的能量是ε＝hγ。后来美国化学家路易斯于1926年把“光量子”取名为“光子”。每个光子的动量为         P＝ε/ c＝hυ/ c＝/ h /λ 式中希腊字母υ读为宇普西龙，λ读为兰布达。爱因斯坦的光量子思想是否正确呢？有四个经验事实可以验证。第一是光电子效应，第二是比热，第三是密立根关于电子电荷的测定，第四个是康普顿效应。光电效应指的是物质在光的照射下释放电子的现象。此现象是赫磁于1887年首先从实验中发现。1902年，赫兹的助手勒纳德用各种频率的光照射钠汞合金，发现只有频率高于一定下限的光才能放逐出电子，而且被放逐出的电子的速度只同光的频率有关，而同光的强度无关。对于这种现象，用麦克斯韦理论根本无法解释。而爱因斯坦却能用光量子理论轻而易举地给以完善的说明，并推导出光电子的最大能量（1/2mυ2）同入射光的频率（γ）之间的关系。他认为，当光照射到金属表面时，能量为hγ的光子，与金属表面电子之间因碰撞而交换了能量。电子吸收了光子的能量后，一部分用来克服金属表面对电子的吸引力所作的功，称为逸出功（W），另一部分则变为离开金属表面时电子所具有的最大动能（1/2mυ2）。根据能量守恒与转化定律，可写成如下等式：        1/2mυ2＝hγ－W 这个等式被称为爱因斯坦光电效应方程。 1906年11月，爱因斯坦发表了《普郎克的辐射理论与比热理论》的论文，文中详细地讨论了固体的比热问题。他把能量不连续的思想运用于固体中原子的振动问题，成功地论证了当温度趋于绝对零度时，所有固体的比热都应当趋近于零。后来，德国物理学家能斯特通过精密的实验测量，证实了爱因斯坦论断的正确性。光量子论提出后，美国实验物理学家密立根对此并不相信，总想用实验来否定它。它前后用了10年的时间来检验爱因斯坦的光电效应公式。但实验结果与他的希望相反，在1915年，他不得不断言：他的无歧义的实验证明，由光量子理论得出的h值与由普朗克公式得出的h值完全一致。 1923年，美国实验物理学家康普顿为了验证爱因斯坦的光量子假说，研究了χ射线在金属中的散射问题。研究发现在散射光中，除了与入射光波长相同的射线外，的确还有波长大于入射光的射线，而且它的出射方向也有偏离。而按照经典理论，散射过程是不会改变光的波长的。康普顿认为，这种现象可以看成是由于χ射线的光子与电子碰撞而产生的。他运用爱因斯坦提出的光量子理论，得到散射波长与散射角之间的关系，其结果与实验值完全一致。康普顿的散射实验，成了光量子存在与否的判决性实验。在爱因斯坦光量子假说的基础上，1924年前后，德布罗意提出了物质波的假说。德布罗意认为，包括电子在内的一切实物粒子都具有波动性。每个能在整个空间自由运动的粒子，都具有一种物质波，粒子的能量E，动量P与相应波的频率γ，波长λ之间有如下关系：E＝hγ，P＝h/λ。他还认为，在一般宏观条件下，由于h值很小，实物粒子的波长实际上很短，故它的波动性不会明显地显示出来，因而可以用经典力学来处理；但是，在微观领域中，由于微观粒子的质量很小，因而动量也很小，这时它的波长就可能被观察到，它的波动性就可能明显地显示出来。德布罗意预言的电子波的衍射，1927年先后被肯定。后来又有一些实验肯定，不仅电子，而且质子、原子和分子等一切微观粒子都具有波动性，波动性是物质粒子普遍具有的一种性质。一切粒子都有物质波，这种现象可以称为波粒二象性。德布罗意的物质波假说也可称为波粒二象假说。(7) 在关于光的性质的研究中有微粒说、波动说、量子说、波粒二象说。这些假说都有一些经验事实验证的肯定。如何看待这些假说呢？有全部肯定的也有否定其中一两种的。从计算化知识发现的角度来说，微粒性质、波动性质可以看成是两种具体集的性质；量子性质可以看成是全集的性质；波粒二象性质可以看成是幂集中的“波动”、“微粒”的两子集的性质。是故，任一假说若企图包揽光的所有的性质都是片面的。光的性质既有微粒的性质，也有波动的性质，也有量子的性质，也有波粒二象的性质。它们共存于光集合的幂集中。