第六章 經(jīng)典光學(xué)建立

1、第六章 經(jīng)典光學(xué)1.光學(xué)的歷史概述2.光的波動說和微粒說的論爭3.光速的測定4.光譜的研究1.光學(xué)的歷史概述一.早期光學(xué)（略）二.折射定律的建立三.光學(xué)儀器的研制四.牛頓對光的色散的研究二 折射定律的建立1 開普勒的工作：1611年寫了折光學(xué)，記載了兩個實(shí)驗(yàn)。第一個實(shí)驗(yàn)是比較入射角和折射角：如圖，日光LMN斜射到器壁DBC上，BC邊沿的影子投射到底座于HK；另一部分從DB射進(jìn)一玻璃立方體ADBEF內(nèi)，陰影的邊沿形成于IG。根據(jù)屏高BE和兩陰影的長度EH和EG，就可算出立方體的入射角和出射角之比。第二個實(shí)驗(yàn)是：用一個圓柱體玻璃，令光線沿S1和S2入射，通過圓柱中心的光線S1方向不變，和圓柱邊沿相

2、切的光線S2偏折最大，并發(fā)現(xiàn)最大偏折角約為420。并因此發(fā)現(xiàn)全反射現(xiàn)象。2 笛卡兒的工作：現(xiàn)代形式的折射定律是笛卡兒在1637年出版的方法論中提出的。他將空氣和其他介質(zhì)（如玻璃或水）的界面看作是一層很脆薄的布，設(shè)想有一小球斜方向投向界面，當(dāng)球穿過薄布時，在垂直于界面的方向損失了部分速度，但平行于界面的方向上的速度不變。據(jù)此他得出：visin i =vrsin r，所以有：sin i /sin r =vr/vi=常數(shù)但由于他假設(shè)介質(zhì)交界面兩側(cè)的光速的平行分量相等是錯誤的，為使理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，必須假設(shè)光密媒質(zhì)內(nèi)的光速比光疏媒質(zhì)大。這顯然都是不正確的。3 斯涅耳(W.Snell,1591-162

3、6)的工作：荷蘭人，1621年從實(shí)驗(yàn)得到準(zhǔn)確的折射定律4 費(fèi)馬的工作1661年費(fèi)馬用最短時間原理推出了折射定律。同時證明了光從光疏媒質(zhì)進(jìn)入光密媒質(zhì)時向法線方向偏折。光 學(xué) 的 歷 史 概 述三.光學(xué)儀器的研制1.1299年由意大利人阿瑪?shù)侔l(fā)明并制造了眼鏡。2.1608年，荷蘭人李普塞（Hans Lippershey)制成第一臺望遠(yuǎn)鏡:他用一個凸透鏡作為物鏡，用一個凹透鏡作為目鏡組合而成?，F(xiàn)在仍把這種組合稱為荷蘭望遠(yuǎn)鏡。3.伽利略知道后很快改進(jìn)成放大32倍，隨后又制成放大1000倍的望遠(yuǎn)鏡，并用它對天體進(jìn)行了觀察，于1610年寫出了星際使者的小冊子，有力支持了哥白尼的日心說。4.1611年開普勒

4、出版了屈光學(xué)，解釋了荷蘭望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡所涉及到的光學(xué)原理。并設(shè)計了一種用兩個凸透鏡構(gòu)成的天文望遠(yuǎn)鏡，即開普勒望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡很快就取代了荷蘭望遠(yuǎn)鏡(因?yàn)樗曇皩?。第一臺開普勒望遠(yuǎn)鏡由天文學(xué)家沙伊納于16131617年制造。5.幾乎與望遠(yuǎn)鏡同時，荷蘭人發(fā)明制造了顯微鏡，由眼鏡制造師詹森(Janssen)發(fā)明：由一雙凸透鏡作物鏡和一個雙凹透鏡作目鏡組合而成。后來，意大利的馮特納(Fontana)第一個用凸透鏡代替了凹透鏡目鏡。6.1665年，胡克出版顯微圖象，并制造了一個帶聚光鏡的顯微鏡：用兩個平凸透鏡分別作物鏡和目鏡，用一球形聚光器來照亮待觀察的物體。7.1668年，牛頓設(shè)計并制造了第一架小

5、型反射式望遠(yuǎn)鏡，全長15厘米，口 徑 2.5 厘 米 ， 但其 放大倍數(shù)和當(dāng)時使用的2米長的望遠(yuǎn)鏡相同。1671年又制造了第二架較大的反射式望遠(yuǎn)鏡，全長1.2米，口徑2米，獻(xiàn)給了英國皇家學(xué)會，現(xiàn)仍保存在英國皇家學(xué)會圖書館。四 牛頓的色散研究1.色散的早期研究：（略）2.問題：17世紀(jì)正當(dāng)望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡問世，伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀察天體，胡克用顯微鏡觀察微小物體。然而，當(dāng)放大倍數(shù)增大時，這些儀器出現(xiàn)了像差和色差，人們深感迷惑，為什么圖象的邊緣總會出現(xiàn)彩色？這和彩虹有沒有共同之處？怎樣才能消除？3.牛頓的色散實(shí)驗(yàn)如圖在一張黑紙上畫一條線abc，半邊ab為紅色，半邊bc為蘭色，經(jīng)過棱鏡觀看，只見這根線好象

6、折斷了似的，分界處正是紅蘭之交，蘭色部分比紅色部分更靠近棱鏡?？梢娞m色光比紅色光折射更厲害。疑問：色散是不是由于光和棱鏡作用的結(jié)果？牛頓又作了以下實(shí)驗(yàn)：他拿三個棱鏡作實(shí)驗(yàn)，三個棱鏡完全相同，只是放置方式不同，如下圖。如果色散是由于光線和棱鏡的作用引起的，經(jīng)過第二和第三棱鏡后，這種色散現(xiàn)象應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。顯然實(shí)驗(yàn)結(jié)果不支持這一觀點(diǎn)。他用兩塊木版各開一小孔F和G，并分別放于三棱鏡兩側(cè)，光從S 處平行射入F后，經(jīng)棱鏡折射穿過小孔G，到達(dá)另一塊木版de上，投過小孔g的光再經(jīng)棱鏡abc的折射后，抵達(dá)墻壁。使第一個棱鏡ABC緩緩繞其軸旋轉(zhuǎn)，這樣第二塊木版上不同顏色的光相繼穿過小孔g到達(dá)三棱鏡abc。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7、是：被第一個三棱鏡折射最厲害的紫光，經(jīng)過第二個三棱鏡時也偏折的最多。結(jié)論：白光是由折射性能不同的各種顏色的光組成。有人提出光譜變長是因?yàn)檠苌湫?yīng)，為此牛頓又作如下實(shí)驗(yàn)：取一長而扁的三棱鏡，使它產(chǎn)生的光譜相當(dāng)狹窄。當(dāng)屏放在位置1時，屏上顯示仍為白光；當(dāng)將屏傾斜到位置2時，就可看到分解的光譜。這一實(shí)驗(yàn)說明：光譜只涉及屏的角度，結(jié)果與棱鏡無關(guān)。因而也就否定了衍射效應(yīng)的說法。在色散實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，牛頓總結(jié)出以下幾條規(guī)律：1.光線隨其折射率不同，顏色也不同。色是光線固有的屬性。2.同一顏色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。3.色的種類和折射的程度是光線所固有的，不會因折射、反射或其它任何原因而改變。4

8、.必須區(qū)分兩種顏色，一種是原始的、單純的色，另一種是由原始的顏色復(fù)合而成的色。5.本身是白色的光線是沒有的，白色是由所有色的光線岸適當(dāng)比例混合而成。6.自然物質(zhì)的色是由于對某種光的反射大與其它光的反射的緣故。7.把光看成實(shí)體有充分依據(jù)。8.由此可解釋棱鏡色散和虹。2.光的波動說和微粒說的論爭一.光的微粒說二.光的早期波動說三.光應(yīng)具有波粒二相性一 光的微粒說近代微粒說最早由笛卡兒首先提出，后來牛頓發(fā)展了微粒說，并和波動說展開了長期的爭斗。微粒說認(rèn)為：光是光源發(fā)出的微粒流，發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進(jìn)入人的眼睛，沖擊視網(wǎng)膜，就引起了視覺。并很容易的地解

9、釋了光的直線傳播、光反射和折射現(xiàn)象。并得出了光密介質(zhì)中的光速要大于光疏介質(zhì)中的光速的結(jié)論。由于當(dāng)時牛頓的影響力且微粒說又通俗易懂，所以很快獲得了人們的承認(rèn)和支持。缺陷：無法解釋為什么幾束在空間交叉的光線能彼此互不干擾地獨(dú)立前時，為什么光線可以繞過障礙物的邊緣拐彎傳播等現(xiàn)象等。二 早期的波動說1.胡克：胡克主張光是一種振動，是類似水波的某種快速脈沖。2.惠更斯：荷蘭物理學(xué)家惠更斯發(fā)展了胡克的思想。提出光是發(fā)光體中微小粒子的振動在彌漫于宇宙空間的以太中的傳播過程。他用子波和波陣面的概念論述了光的傳播原理-惠更斯原理早期的波動理論缺乏數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，還很不完善，而牛頓的微粒說因符合力學(xué)規(guī)律而占據(jù)統(tǒng)治地位。

10、并且當(dāng)時的波動性觀點(diǎn)都是一種縱波觀點(diǎn)。無法解釋光的偏振現(xiàn)象。3.托馬斯楊（Thomas Young)1773年出生在英國的一個富裕家庭，先后在倫敦、愛丁堡、哥廷根學(xué)醫(yī)，于1796年獲哥廷根醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，1799年開始行醫(yī)。托馬斯楊的光學(xué)研究，始于對視覺器官的研究，他第一個發(fā)現(xiàn)眼球在注視不同距離的物體時會改變晶狀體的曲率。1800年發(fā)表了關(guān)于光和聲的實(shí)驗(yàn)問題托馬斯楊認(rèn)為光和聲音類似；根據(jù)水波的疊加現(xiàn)象，聲波也會由于疊加而出現(xiàn)聲音的加強(qiáng)和減弱，光波也應(yīng)如此。并首先提出“干涉”術(shù)語。1801年發(fā)表光和色的理論，以假說形式闡述了光的波動理論：整個宇宙充滿了以太，光是發(fā)光體在以太中激起的波動，光的顏色取

11、決于光波動的頻率。并提出著名的干涉原理。托馬斯楊不足：缺少嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析，理論探索主要依賴于類比法。所以在當(dāng)時的英國，他的研究未受重視，反而遭到了攻擊，后來一度轉(zhuǎn)向了語言學(xué)研究。菲涅耳雙棱鏡實(shí)驗(yàn)菲涅耳雙面鏡實(shí)驗(yàn)(1)雙光束干涉實(shí)驗(yàn)4.菲涅耳雙光束干涉實(shí)驗(yàn)和泊松亮斑(2)泊松亮斑征文：為了推進(jìn)微粒說的發(fā)展，1818年法國科學(xué)院提出了有獎?wù)魑?，菲涅耳在阿拉果的鼓勵和支持下，提交了?yīng)征論文：他以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，從橫波的觀點(diǎn)出發(fā)，圓滿的解釋了光的偏振，并用半波帶法定量的解釋了圓孔、圓板等形狀的障礙物所產(chǎn)生的衍射花紋，推出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合的很好。論文評審：法國數(shù)學(xué)物理學(xué)家泊松應(yīng)用菲涅耳對光繞過障礙物衍射

12、的數(shù)學(xué)方程推出：如果在光束傳播路徑上放置一塊不透明的圓板，則在放置在圓板后面的光屏的中心，應(yīng)觀察到一個亮斑（后稱為泊松亮斑），泊松認(rèn)為這是不可能的，從而否定了菲涅耳的應(yīng)征論文。實(shí)驗(yàn)：根據(jù)泊松的推論，菲涅耳做了一個實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在陰影的中央果然出現(xiàn)了一個亮斑。托馬斯楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和波松亮斑證實(shí)了光的波動性。1817年1月和1818年4月托馬斯楊先后兩次寫信給阿拉果，討論有關(guān)偏振問題，并把光比作繩索和弦的振動，建議他們把光看成一種橫波。阿拉果把信給菲涅耳，菲涅耳立即看出：這一比喻為互相垂直的兩束偏振光不能相干提出了解釋。并于1819年發(fā)表了關(guān)于偏振光線的相互作用，于1821年發(fā)表了光的橫波性理論。托

13、馬斯楊和菲涅耳的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入了新的發(fā)展時期-波動光學(xué)時期。5 .水中光速的測定：1850年傅科測定了光在水中和空氣中的速度，給光的粒子說以最后的打擊，從此光的波動說占據(jù)了統(tǒng)治地位。6.麥克斯韋電磁場理論的建立：19世紀(jì)60年代，麥克斯韋發(fā)表了電磁場理論，并計算出電磁波的傳播速度和光速相等，明確提出光是一種電磁波。揭示了光和電磁波的統(tǒng)一性。約20年后被赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)。三.愛因斯坦的光量子理論1887年，美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷實(shí)驗(yàn)，否定了以太存在。賴以生存的光和電磁波的傳播媒介以太的否定，使波動說面臨嚴(yán)重的危機(jī)。而光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋，又一次使光的粒子說暫時占據(jù)了上風(fēng)

14、。四.光的波粒二相性1921年，德布羅意提出了光的波粒二相性理論。才暫時平息了關(guān)于光本性的爭論。光 速 的 測 定3. 光速的測定一.早期的實(shí)驗(yàn)二.天文學(xué)方法三.地面測量方法四 “以太漂移”的測定光 速 的 測 定一.早期的實(shí)驗(yàn)在光速的問題上物理學(xué)界曾經(jīng)產(chǎn)生過爭執(zhí)，開普勒和笛卡爾都認(rèn)為光的傳播不需要時間，是在瞬時進(jìn)行的。但伽利略認(rèn)為光速雖然傳播得很快，但卻是可以測定的。1607年，伽利略進(jìn)行了最早的測量光速的實(shí)驗(yàn)：在已知距離的兩個高山峰上，放兩盞燈，利用接收燈閃亮的時間去除間距，來測光速，但誤差較大。二.天文學(xué)方法1.由木衛(wèi)蝕測量光速由丹麥人奧羅斯羅末(1644-1710)于1675年提出。木

15、星有13個衛(wèi)星，I0（木衛(wèi)一）是木星的一顆衛(wèi)星，繞木星旋轉(zhuǎn)一周的時間約42小時28分16秒，因此在地球上看I0蝕也應(yīng)是42小時28分16秒一次，但他在觀測木衛(wèi)I0的隱蝕周期時發(fā)現(xiàn)：在一年的不同時期，它們的周期有所不同；惠更斯據(jù)此觀察計算出了光的傳播速度：214000千米/秒?，F(xiàn)代用羅麥的方法經(jīng)過各種校正后得出的結(jié)果是298000千米/秒，利用木星蝕測量光速圖：意義：揭示了光的傳播需要時間，即光速有限。2.由光行差測量光速17251728年間，英國天文學(xué)家布拉德雷（Bradley)在地球上觀察恒星時，發(fā)現(xiàn)恒星的視位置在不斷地變化，在一年之內(nèi)，所有恒星似乎都在繞橢圓軌道運(yùn)行一周他認(rèn)為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生

16、是由于恒星發(fā)出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而發(fā)生了位置的變化。如右圖，若當(dāng)?shù)厍?人)從B點(diǎn)運(yùn)動到A點(diǎn)時，恒星發(fā)出的光線從C點(diǎn)傳播到A，則光速和地球的公轉(zhuǎn)速度之比為：vvcc = tg 由此測得光速為：C=299930千米/秒光 速 的 測 定三.光速的地面測定方法1849年，法國人菲索（1819-1896）用齒輪旋轉(zhuǎn)法測得光速為3.15108米/秒。他是第一個首次證明光速可以在實(shí)驗(yàn)中測得的人。另外，法國人傅科、美國人紐克姆等都對光速測定做過貢獻(xiàn)。1.旋轉(zhuǎn)齒輪法：1849年法國物理學(xué)家斐索首次在實(shí)驗(yàn)室利用齒輪的旋轉(zhuǎn)測定了光速。其裝置如下：控制齒輪轉(zhuǎn)速，使其由零逐漸增加

17、，觀察者開始將看到閃光，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)而達(dá)到第一次看不到光時，齒縫被齒所代替，再增加轉(zhuǎn)速，當(dāng)看到光且不再閃時，說明光往返的時間和齒輪轉(zhuǎn)過一齒的時間正好相等。據(jù)此即可算出光速。菲索測得的光速是315000千米/秒。由于齒輪有一定的寬度，用這種方法很難精確的測出光速。2.傅科的旋轉(zhuǎn)平面鏡法1850年斐索的朋友和合作者傅科設(shè)計了旋轉(zhuǎn)平面鏡法測定光速，如下圖所示。所測速度為298000500千米/秒。光 速 的 測 定3.阿爾伯特邁克爾遜(1926)旋轉(zhuǎn)棱鏡法：邁克爾遜從1879年開始對光速進(jìn)行了長達(dá)50年的測量工作。R轉(zhuǎn)鏡是一個正八面的鋼質(zhì)棱鏡，從光源S發(fā)出的光射到轉(zhuǎn)鏡面R上，經(jīng)R反射后又射到35公里以

18、外的一塊反射鏡C上。光線再經(jīng)反射后又回到轉(zhuǎn)鏡。所用時間是t=2D/c。在t時間中轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)過一個角度。實(shí)驗(yàn)時，逐漸加快轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 528轉(zhuǎn)/秒時，在t時間里正好轉(zhuǎn)過1/8圈。返回的光線恰恰落在棱鏡的下一個面上，通過半透鏡M可以從望遠(yuǎn)鏡里看到返回光線所成的像。用這種方法得到c=2997964公里秒。1907年，阿爾伯特邁克爾遜是第一位獲諾貝爾物理獎的美國科學(xué)家。4 其他方法-試驗(yàn)室方法克爾盒法：克爾盒能使光束以極高頻率做周期性變化。1928年，卡婁拉斯和米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來測定光速。微波諧振腔法：1950年埃文森最先采用測定微波波長和頻率的方法來確定光速激光測速法：1970年美

19、國國家標(biāo)準(zhǔn)局和美國國立物理實(shí)驗(yàn)室最先運(yùn)用激光測定光速等等。光速測量一覽表五 “以太漂移”的測定1.早期對“以太”的認(rèn)識（略）2.“以太”的運(yùn)動觀：1818年菲涅耳提出靜止以太說1845年斯托克斯提出完全拖曳說1851年菲索提出部分拖曳說3.“以太漂移”的測定斐索的流水實(shí)驗(yàn)邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)洛奇的轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)斐索的流水實(shí)驗(yàn)1851年，斐索在流水中比較光速，實(shí)驗(yàn)原理如下圖,光源發(fā)出的光經(jīng)半透鏡反射進(jìn)入兩狹縫S1和S2形成兩光束，進(jìn)入水管，一束順?biāo)鞣较颍皇嫠鞣较?，均?jīng)反射鏡M反射，在S處會合發(fā)生干涉。觀察干涉條紋可以檢查因受水流曳引形成的光程差。假如水中的以太不被流水拖曳，兩束光在水中的速率是一樣

20、的，無論水是否流動，干涉條紋都不會發(fā)生變化。如果以太被流水拖曳，拖曳系數(shù)為k，水流的速度為v，則以太被拖曳的速率為kv；兩束光在流水中相對于地球的速率就不相同，于是便能看到干涉條紋的變化。光在流水中相對于地球的速度為:c=c/nkv,斐索通過實(shí)驗(yàn)測得 k=0.46，表明水中的以太被部分拖曳。(1817年，菲涅耳通過理論導(dǎo)出以太被物體拖曳的常數(shù)為 1-1/n2。對水而言，其值為0.438，兩結(jié)果一致。)根據(jù)菲涅耳理論，對于地球表面的空氣，n1，所以 k=0。表明空氣對以太沒有拖曳作用，即以太靜止。洛奇的轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)1892年，英國物理學(xué)家洛奇做了一個鋼盤轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)“以太”的漂移。他把靠得很近的

21、大鋼鋸圓盤（直徑3英尺）平行的裝在電機(jī)的軸上，使其高速旋轉(zhuǎn)（可達(dá)4000轉(zhuǎn)/分）。一束光經(jīng)半透鏡分為兩路，分別沿相反方向在鋼盤之間走三圈，再匯合于望遠(yuǎn)鏡，產(chǎn)生干涉條紋。如果鋼盤轉(zhuǎn)動拖曳周圍以太旋轉(zhuǎn)，則兩路光線將產(chǎn)生時間差，造成干涉條紋移動。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：不論鋼盤轉(zhuǎn)速如何，鋼盤正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，造成的條紋移動都在誤差范圍以內(nèi)。從而證明以太靜止。邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)1881年邁克耳遜設(shè)計了一種干涉儀，如圖，用于測量以太的漂移速度。當(dāng)兩光束有一定光程差時，在d處則出現(xiàn)干涉條紋。如果以太是靜止不動的，則由于地球繞太陽的運(yùn)轉(zhuǎn)，地球表面應(yīng)有“以太風(fēng)”刮過。如果把儀器轉(zhuǎn)動90度，則必然會出現(xiàn)條紋的移動。根據(jù)干涉條紋的

22、移動距離，即可算出以太的漂移速度。通過推導(dǎo)，條紋的移動量為：=ct / ,估計應(yīng)有0.4條紋的移動，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果只有0.1條紋的移動，而這一微小數(shù)值可以理解為實(shí)驗(yàn)中的誤差。1887年邁克爾遜與莫雷合作，對儀器改進(jìn)后又進(jìn)行了更精密測量：將整個光學(xué)系統(tǒng)安裝在大石板上，再將石板浮在水銀槽上，可以自由旋轉(zhuǎn)改變方位。光路經(jīng)多次反射，光程可達(dá)11米。但結(jié)論仍是“零結(jié)果”。結(jié)論：以太被完全拖曳，或者以太根本不存在。意義：1.否定了以太存在；2.動搖了經(jīng)典物理學(xué)基石；3.為狹義相對論的建立準(zhǔn)備了實(shí)驗(yàn)依據(jù)；4.創(chuàng)制了高精度的測量儀器-干涉儀。4. 光譜的研究一 .光譜的早期研究二 .光譜分析的誕生三 .巴爾末發(fā)現(xiàn)

23、氫光譜規(guī)律四 .里德伯的普遍公式一 光譜的早期研究1666年牛頓的色散實(shí)驗(yàn)開始了光譜研究的歷史，由于他用圓孔作光闌，并沒有觀察到光譜譜線。1748年-1749年間，英國的梅耳維爾用棱鏡觀察了多種材料的火焰光譜，包括納的黃線。1800年，英國天文學(xué)家赫謝爾測量了太陽光譜中各部分的熱效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)紅端輻射溫度較高。他注意到紅端以外的區(qū)域，也具有熱效應(yīng)，從而發(fā)現(xiàn)了紅外線。1801年，德國科學(xué)家里特(Ritter)發(fā)現(xiàn)在光譜紫色的外側(cè)仍能使氯化銀變黑，且比紫光的化學(xué)作用更強(qiáng)烈，從而發(fā)現(xiàn)了紫外線。1802年沃拉斯頓(Wollaston)觀察到太陽光譜的不連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)中間有多條黑線，但他誤認(rèn)為是顏色的分界線。

24、1803年托馬斯楊的干涉實(shí)驗(yàn)提供了測量波長的方法.德國物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)對太陽光譜進(jìn)行了深入研究，1814-1815年他向慕尼黑科學(xué)院展示了自己編繪的太陽光譜圖，內(nèi)有多條黑線，并對其中八根顯要的黑線標(biāo)以A、BH等字母(稱為夫瑯和費(fèi)線)。這些黑線后來成為比較不同玻璃材料色散率的標(biāo)準(zhǔn)，并為光譜精確測量提供了基礎(chǔ)。1821年-1822年期間，夫瑯和費(fèi)詳細(xì)地研究了衍射現(xiàn)象，在波動說的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了從衍射圖形求波長的關(guān)系式，確定了主要暗線的波長，如D=588.77m.發(fā)明了衍射光柵，最初用金屬絲等距排列起來作為衍射光柵；后來建造了刻紋機(jī)：將金箔貼在玻璃板上，用金剛石在金箔上刻痕，作成透射光柵。二 光譜分析的

25、誕生1.前奏在夫瑯和費(fèi)之后，許多人對光譜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)識到光譜與物質(zhì)的化學(xué)成分有關(guān)，從而導(dǎo)致光譜分析的誕生。1832年布儒斯特發(fā)現(xiàn)透過發(fā)煙硝酸的太陽光的光譜中有暗線和光譜帶，他認(rèn)為，這些暗線產(chǎn)生于地球大氣對光的吸收，或是太陽大氣對光的吸收。1845年英國化學(xué)家米勒研究了金屬鹽類火焰的吸收光譜和發(fā)射光譜，證實(shí)了鈉的明線和太陽光譜中的D線恰好相合。1849年傅科把蘇打涂在弧光燈碳棒的前端，首先在D線位置得到暗線，如果讓太陽光通過，則太陽光譜中的D線明顯變暗。由此得出結(jié)論：同一電弧在產(chǎn)生D線的同時，還吸收別處來的D線。以上實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)，為德國物理學(xué)家基爾霍夫與本生(Bunsen)創(chuàng)建光譜分析理論開

26、辟了道路。2.光譜分析理論的建立：1859年，基爾霍夫?qū)獾奈蘸桶l(fā)射之間的關(guān)系作了深入研究。他和本生合作研究了各種物質(zhì)的火焰光譜和火花光譜，正確解釋了夫瑯和費(fèi)線，在當(dāng)年發(fā)表的論文中，他寫到：“這種研究使我們從吹管火焰中的光譜去認(rèn)識復(fù)雜混合物的定性成分?？梢允刮覀冏鞒鲫P(guān)于太陽大氣、和或許關(guān)于較亮恒星大氣的成分的結(jié)論?！蓖ㄟ^實(shí)驗(yàn)，他們認(rèn)為：太陽大氣中有鈉、鉀，但沒有鋰，或數(shù)量相當(dāng)少。在他們合寫的論文借助光譜觀察進(jìn)行化學(xué)分析中指出：“無論含有金屬的化合物的位置何等不同，也無論這些單獨(dú)火焰的溫度的差別是何等巨大，都不會對相應(yīng)的個別金屬的譜線位置發(fā)生任何影響。”這一結(jié)論為化學(xué)分析提供了強(qiáng)大的武器，為物

27、理學(xué)開辟了光譜分析的新領(lǐng)域。三.巴爾末發(fā)現(xiàn)氫光譜規(guī)律3.氫光譜的拍攝：1880年，胡金斯(Huggins)和沃格爾(Vogel)成功地拍攝了恒星的光譜，發(fā)現(xiàn)氫的光譜線一直擴(kuò)展到紫外區(qū)，組成一光譜系。這個光譜系非常有規(guī)律：從紅線到紫外區(qū)，一根接著一根，密度逐漸增加。2.埃格斯特朗首先找到氫光譜的譜系1868年埃格斯特朗從氣體放電的光譜中找到了氫的紅線(H)，并證明它就是夫朗和費(fèi)從太陽光譜發(fā)現(xiàn)的C線，后來又發(fā)現(xiàn)了另外幾根可見光區(qū)域的氫譜線，測量了它們的波長。1.埃格斯特朗的“標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜”圖表1868年，瑞典阿普沙拉大學(xué)的物理學(xué)教授埃格斯特朗發(fā)表“標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜”圖表，記有上千條夫朗和費(fèi)線的波長，以

28、10-8cm為單位，精確到六位有效數(shù)字，為光譜工作者提供了極其有用的寶貴資料。為了紀(jì)念他，后來將10-8cm命名為埃格斯特朗單位，記為1。光 譜 的 研究4. 巴爾末(Balmer,1825-1898)發(fā)現(xiàn)氫光譜規(guī)律巴爾末像19 世 紀(jì) 80 年 代初，光譜學(xué)取得很大發(fā)展，積累了大量數(shù)據(jù)資料。如何從浩繁的光譜資料中找出其中的規(guī)律?是擺在物理學(xué)家面前的任務(wù)。m = B 2光 譜 的 研究巴爾末，瑞士的一位中學(xué)數(shù)學(xué)教師，在巴塞爾大學(xué)教授哈根拜希(E.Hagenbach)的指點(diǎn)下將氫光譜的規(guī)律總結(jié)出來，于1884年6月25日向全國科學(xué)協(xié)會報告了自己的發(fā)現(xiàn):2n = 3,4,5,L2m n次年發(fā)表了論文論氫光譜系。由于埃格斯特朗對氫譜線的精確測量，提供了氫的可見光部分的四條譜線的精確波長，從中巴爾末提出了一個共同因子：B=3645.6107毫米。巴耳末公式的發(fā)現(xiàn)過程：根據(jù)他當(dāng)年的手稿和旁人的回憶，他可能是這樣建立巴耳末公式的：開始，巴耳末采用在