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奥林巴斯显微镜光是粒子或者波吗?

2014-07-28  发布者:admin 

 可见光的确切性质是一个几个世纪以来不解的谜。从古代的毕达哥拉纪律希腊科学家大胆假设每一个可见的对象发出稳定的粒子流,而亚里斯多德认为光传播的方式类似于海洋里的波浪。尽管这些想法在过去的 20 世纪经历过无数的修改和很大程度的进化,本质的希腊哲学家们所建立的争议一直持续到今天。

一种观点设想光一样的波状的性质,产生的能量,遍历的方式类似于蔓延打扰丢弃的石头后,表面的平静的池塘的涟漪的空间。反对的观点认为光由组成的稳定的粒子流,就像水从花园软管喷嘴喷射的微小液滴。在过去的几个世纪,期间一致的意见有动摇过的与普遍存在的一段时间,只是要被其他的证据推翻的一个视图。仅在 20 世纪第一个十年期间足够令人信服的证据收集,提供一个全面的答案,并让所有人惊讶的是,这两种理论证明是正确的至少在部分。

在十八世纪初,关于光的本质的争论已经变成了科学界大力争夺的他们最喜欢的理论有效性的划分阵营。一组科学家,订阅了波浪理论,为中心的荷兰人克里斯蒂安 · 惠更斯发现他们的论点。对立阵营引艾萨克 · 牛顿的棱镜实验证明光旅行作为洗澡的粒子,每个程序在一条直线,直到它被折射,吸收、 反射、 衍射或以某种其他方式干扰。虽然牛顿,自己,看起来好像有一些疑问,他微粒子理论性质的光,他的声望在科学共同体中举行了这么多的重量,他的支持者在他们激烈的战争期间忽略所有其他证据。

惠更斯理论的光的折射,光线,类似波的性质的概念基础举行任何物质在光的速度成反比是它的折射率的比例。换句话说,惠更斯假设越多的光是"弯曲"或折射的一种物质,得越慢它会移动而穿越这种物质。他的追随者们认为,如果光由组成的粒子流,然后会发生相反的效果,因为进入更紧密的介质的光会被吸引的分子在中期和经验的增加,而不是减少,速度。虽然这一论点的完美解决方案将测量光在不同物质中的速度,空气和玻璃为例,期的设备并不胜任这项任务。光出现任何它所通过的材料相同的速度移动。超过 150 年后才可能具有足够高的精度,证明惠更斯理论是正确的测量光的速度。

尽管很高的盛誉的艾萨克 · 牛顿爵士,著名科学家在 18 世纪早期的数目不同意他微粒子理论。有些人认为如果光组成的粒子,然后当两束交叉,一些粒子会互相碰撞产生光束的偏差。很明显,这不是如此,所以他们的结论是光不必须由单个粒子组成。

惠更斯,为他的直觉,曾建议他 1690年伤寒论 》 Traité de la Lumière ,光波旅行通过介导,一种神秘的失重物质,作为整个空气和空间的无形实体存在的空间。醚搜索在十九世纪之前最后下岗休息过程中消耗大量的资源。醚理论持续了至少直到十九世纪末,查尔斯 · 惠斯通提出的模型展示醚携带光波的振动在垂直于光传播的方向角和 James 克拉克 · 麦克斯韦的详细描述的看不见的物质建设模型可见一斑。惠更斯认为醚在相同的方向的光,振动,形成一波本身作为它运载了光波。在后来的卷,惠更斯原理,他巧妙地描述了每个点上一波如何能产生它自己小波,其中一起将添加到表单的波前。惠更斯雇用这个想法产生的折射现象,详细的理论,解释为什么光线就不会崩溃时他们交叉路径,对方。

当一束光旅行之间有不同的折射指数的两种介质时,梁经历折射,并改变方向,当它通过从第一种介质入第二个。若要确定是否这束光由波或粒子组成,可以设计为每个模型来解释这一现象 (图 3)。根据惠更斯波理论,一小部分的每个角度的波前应该影响第二种介质,其余的前面到达接口之前。这一部分将开始通过第二种介质移动,而其余的浪潮仍然行驶,在第一种介质,但会由于较高的折射指数的第二种介质移动更慢。波阵面现在在两个不同的速度行驶的因为它将弯成第二种介质,从而改变传播的角度。相比之下,粒子理论有相当困难的时候解释为什么光粒子应该改变方向,当他们从一种介质传递到另一个。理论的支持者的建议一支特别部队,定向垂直于界面的行为来改变粒子的速度,在他们进入第二种介质。这支部队的确切性质留给了投机活动,和以往已收集没有证据来证明的理论。

另一个优秀比较这两个理论涉及到发生时从光滑、 镜面反射的表面,例如镜子反射光的差异。波浪理论推测一光源发出光波,向四面八方蔓延。影响一个镜子,海浪就被反映的到达角度,而与每个波转回来到前面来产生反向的图像 (图 4)。到达波的形状是强烈地依赖于从镜子的光源有多远。光来自关闭源仍保持球形、 高度弯曲的波前,而从一个距离光源发出的光将会传播更多和影响是几乎平面的波前的镜子。

光的粒子性的理由是远强有关的反射现象,而不是折射。是否或近或远,由源,所发出的光到达的镜子表面的蹦跳或从光滑的表面反射的粒子流。因为粒子是非常微小,数量庞大参与一束传播的光,在那里他们旅行并排彼此非常接近。对影响镜子,粒子反弹从不同的点,所以他们这束光的顺序颠倒反思以产生反向的图像,如图 4 所示。粒子和波的理论不足以解释光滑表面的反射。然而,粒子理论也表明是否表面是非常粗糙的粒子反弹走在不同的角度,散射的光线。这一理论非常密切地符合我们的实验观察。

粒子和波应该也以不同的方式表现,当他们遇到的一种对象和形式 (图 5) 阴影边缘。牛顿是很快指出了在他的 1704年书著成光学,,"光从来没有已知的遵循歪歪扭扭的段落也不能弯曲成阴影"。这一概念是与的粒子理论,提出了光的粒子总是必须沿直线相一致。如果粒子遇到的一个障碍边缘,然后他们会产生阴影,因为不被屏障阻止粒子继续在一条直线上,不能摊开在边缘后面。在宏观尺度上,这种观察是正确的但它不同意从规模要小得多的光的衍射实验获得的结果。

当光通过狭缝时,光束传播并且变得比预期的更广泛。这从根本上重要观察借了大量的光的波动理论的可信度。像在水中的波浪,光波遇到对象的边缘出现弯曲周围边缘和入其几何的影子,是一个区域,不由这束光直接照明。这种行为是类似于环绕结束了筏板,而不是反射掉的水浪。

近百年来后牛顿和惠更斯提出了他们的理论,命名为 Thomas 年轻英国物理学家进行了实验研究光的波状性质的大力支持。因为他相信光由波组成,年轻的理由一些类型的交互会发生两个光波见面时。为了测试这个假设,他用屏幕,其中包含单个、 窄缝从普通日光产生相干光束 (包含在阶段中传播的波)。当太阳的光线遇到缝隙,他们散开或衍射产生单一的波前。如果这条战线允许照亮第二个屏幕有两个间隔紧密狭缝,相干光,完美地与每一个其他步骤中的另外两个来源产生 (见图 6)。从每一个缝隙旅行到单个点半路之间两个狭缝光应该在第步中完美地到达。由此产生的波应加强彼此产生多大的波。然而,如果被认为是两边的中心点上的一个点,然后从一个狭缝光必须旅行得更远以达到第二点的对面的中心点。光从狭缝更接近到这第二点会在光前到达从遥远的狭缝,因此两个波会与对方,而且可能会取消彼此产生的黑暗。

他怀疑,年轻人发现当从狭缝的第二套光波传播 (或衍射),他们满足彼此和重叠。在某些情况下,重叠结合确切地中的一步的两个波。然而,在其他情况下,光波是或轻微或完全不合拍相互结合。年轻人发现当波在第步中见到,他们加在一起的一个过程,是来被称为相长干涉满足不合拍的波将相互抵消,一种称为破坏性的干涉现象。在这两个极端,不同程度的建设性和破坏性干扰发生产生波具有广泛的振幅。年轻是能够观察到在屏幕上放在后面这两个狭缝设置距离干扰的影响。衍射后, 重组由干涉的光产生一系列的光明和黑暗边缘沿屏幕的长度。

虽然看似重要的是,年轻的结论没有广泛采纳时,主要是因为在粒子理论中的压倒性的信念。他观察光的干涉,除了年轻假设不同颜色的光由波具有不同的长度,一个基本的概念,今天被广泛接受。与此相反,粒子理论倡导者设想各种颜色从粒子具有两种不同的群众或以不同的速度行驶。

干涉效应并不局限于光。池或池塘表面上产生波浪会向四面八方蔓延,接受相同的行为。在哪里两波满足在步骤中,他们将会添加在一起,使波波更大的建设性干涉。不同步的碰撞波将取消彼此通过破坏性的干涉和产生水平表面在水面上。

更多的证据为光具有波状性质的时候发现了一束光之间交叉偏振器的行为是仔细审查了 (图 7)。偏光滤镜有独特的分子结构,它允许具有单一取向通过仅有的光。换句话说,偏光片可以被视为一种特殊的分子百叶帘有小行面向单一方向内的偏光材料的板条。如果一束光允许偏光片的影响,只有光线面向平行偏振方向是能够穿过偏光片。如果第二个偏振器位于背后的第一次和面向同一方向,然后光通过第一偏振器还通过将第二个。

然而,如果第二个偏振器的旋转是以很小的角度,将会下跌的光通过量。当第二个偏振器旋转所以方向是垂直于基板的第一次用偏光片,然后通过第一偏振器的光都不会通过第二个。这种效应很容易解释用波理论,但没有操纵的粒子理论可以解释如何光阻止第二个偏振器。事实上,将是以后的影响粒子理论,也不是不可以足以解释干涉和衍射的发现是同一现象的表现形式。

用偏振光观察到的影响是光组成的波在垂直于传播方向的组件的概念发展的关键。每个横向组件必须有一个特定的方向方向,使它要么通过或可以被阻止,以一个偏振片。只有那些具有偏振镜与平行的横向分量波将通过,和所有其他人将会被阻止。

19 世纪中叶,科学家们正越来越多地相信波状特征的光,但仍那里一个霸道的问题。到底什么是光?当它被发现由英国物理学家 James 克拉克 · 麦克斯韦所有形式的电磁波辐射代表一个连续的光谱,和在相同的速度在真空中传播取得了突破: 每秒 186000 英里。麦克斯韦尔的发现有效地钉棺材的粒子理论,20 世纪的黎明时分,好像终于回答了光和光学理论的基本问题。

个重大的打击,对波理论在幕后发生在 1880 年代后期,当科学家首次发现在一定条件下光能把电子从原子的几种金属 (图 8)。虽然在第一次只是好奇的无法解释的现象,它很快被发现的紫外线照射可减轻中种类繁多的金属产生积极的电荷的电子的原子。德国物理学家 Philipp Lenard 成为了这些意见,他被称为光电效应的兴趣。莱纳德用棱镜来拆分成其组件的颜色,白色的光,然后有选择性地集中到驱逐的电子金属板上的每种颜色。

莱纳德的发现相混淆,使他感到惊异。为一个特定波长的光 (蓝色,例如),电子生产恒电位或固定的数量的能量。减少或增加的光量产生相应增加或解放,电子的数量在减少,但每个仍维持相同的能量。换句话说,逃离他们的原子化学键的电子有依赖于波长的光,不是强烈的能量。这是与什么会预期从波浪理论。莱纳德也发现波长和能量:更短的波长之间的联系产生电子具有更大的能量。

光与原子之间的连接的基础是在 19 世纪早期,William 海德沃拉斯顿发现太阳的光谱不是连续的带的光,但包含几百个失踪波长时铸的。500 多窄行对应的失踪波长被映射由德国物理学家约瑟夫 · 冯 · 弗劳恩霍夫,字母分配给最大的差距。后来,人们发现差距由从吸收特定波长的原子在太阳的外层。这些意见是原子和光,之间的第一次联系的一些虽然产生的根本性影响当时不被了解的时间。

1905 年,阿尔伯特 · 爱因斯坦假设光实际上可能会有一些粒子性,无论是类似波的性质的压倒性证据。在制定他的量子理论,爱因斯坦提出数学上附着在金属中原子的电子可以吸收光 (第一次被称为量子,但后来改为一个光子) 的特定数量,并因此有逃脱的能源。他还推测,如果一个光子的能量与波长成反比,然后更短的波长会产生电子具有更高的能量,事实上承担的莱纳德的研究成果从一个假设。

爱因斯坦的理论被凝固在 1920 年代由美国物理学家 Arthur H.康普顿,证明光子具有动量,物质和能量是可以互换的理论支持的必要的实验。大约在同一时间,法国科学家 Louis 维克多 · 德布罗意提出所有的物质和辐射有类似于一个粒子和波的属性。德布罗意,下列马克思 · 普朗克的铅,推断出有关质量和能量,包括普朗克常数的爱因斯坦的著名公式:

E = mc2 = h ν

其中E是能量的粒子, m的质量, c是光速, h是普朗克常数,和ν是频率。德布罗意的工作,涉及的能量和质量的一种粒子的波的频率,是领域的发展的一个新,最终将用来解释光的波状和粒子的性质的根本。量子力学诞生从研究的爱因斯坦,普朗克,德布罗意,波尔、 埃尔温 · 薛定谔,和其他人试图解释如何电磁辐射可以显示什么现在被称为二元性或颗粒状和波浪状的行为。在时间光的行为作为一个粒子,而在其他时间像波一样。可以采用此补充,或双,角色行为的光用来描述所有的已知特征的有实验中观察到,从折射、 反射、 干涉、 衍射、 到结果与偏振光和光电效应。光的性质相结合,一起工作,让我们观察宇宙的美。