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十九世纪最伟大的光学家—菲涅尔 

来源:网络资源 2009-09-01 20:52:15

[标签:光学]

  十九世纪最伟大的光学家—菲涅尔

  菲涅耳的光学成就

  1815年,菲涅耳向科学院提交了关于光的衍射的第一份研究报告,这时他还不知道托马斯.扬关于衍射的论文。菲涅耳以光波干涉的思想补充了惠更斯原理,认为在各子波的包络面上,由于各子波的互相干涉而使合成波具有显著的强度,这给予惠更斯原理以明确的物理意义。但同托马斯.杨所认为的衍射是由直射光束与边缘反射光束的干涉形成的看法相反,菲涅耳认为屏的边缘不会发生反射。阿拉戈热情地报告了这篇论文,并第一个改信了波动说。但是,波动说在解释偏振光的干涉现象上还存在着很大的困难。牛顿在《光学》疑问26中曾经问道:“光线不是有几个边缘,它们各有一些原来的性质吗?”是双折射现象引起了这一疑问。菲涅耳和阿拉戈总结了偏振光的干涉规律,发现两束偏振光当它们的反射面互相平行时可以发生干涉;但当反射面互相垂直时,干涉现象就消失。就是说,两束互相垂直的偏振的光线,彼此不发生干涉作用,而原来偏振方向相同的两束光,就好象寻常光线一样地可以发生干涉。1817年,一直在为波动说的困难寻找解决办法的托马斯.杨觉察出,如果光的振动不是象声波那样沿运动方向作纵向振动,而是象水波或拉紧的琴弦那样垂直于运动方向作横向振动,问题或许可以得到解决。1817年初,杨写信给阿拉戈说:“……虽然波动说可以解释横向振动也在径向方向并以相等速度传播,但粒子的运动是在相对于径向的某个恒定方向上,而这就是偏振。”阿拉戈立即将托马斯.杨的这一新想法告诉了菲涅耳,菲涅耳当时已经独立地领悟到了这个思想,他立即以这一假设解释了偏振光的干涉的定律,而且还得出了一系列其他的重要结论,其中包括偏振面转动理论,反射和折射理论,双折射理论。但是,光振动是横向的这个假设是非常大胆的,因为根据弹性理论,在稀薄的以太里是不可能产生横向振动的。所以,阿拉戈虽然和菲涅耳一起进行了关于偏振光干涉的研究,而当菲涅耳用横波观点对实验结果进行解释时,阿拉戈却不敢和他一起发表这个新见解。论文的这一部分是以菲涅耳的名义表达的。后来,菲涅耳把所有观察的结果总结成为一个完整的偏振光理论,其中包括相干概念和椭圆偏振。他发现了晶体中的波面,和支配反射光与折射光强度的定律。所有这些都是一些重大成就,由此建立了尚待解释的现象学。观察在真空内传播光的媒质―以太的性质,这本应是最大的成就。但是菲涅耳在这里遇到了不可克服的困难。1818年,法国科学院提出了征文竞赛题目:一是,利用精确的实验定光线的衍射效应;二是,根据实验,用数学归纳法推求出光线通过物体附近时的运动情况。在阿拉戈的鼓励与支持下,菲涅耳向科学院提出了应征论文,他从横波观点出发,圆满地解释了光的偏振,用半周带的方法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹,而且与实验符合得很好。但是,菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子说者的反对,评奖委员会的成员泊松运用菲涅耳的方程推导出关于盘衍射的一个奇怪的结论:如果这些方程是正确的,那么当把一个小圆盘放在光束中时,就会在小圆盘后面一定距离处的屏幕上盘影的中心点出现一个亮斑;泊松认为这当然是十分荒谬的,所以他宣称已经驳倒了波动理论。菲涅耳和阿拉戈接受了这个挑战,立即用实验检验了这个理论预言,非常精彩地证实了这个理论的结论,影子中心的确出现了一个亮斑。在托马斯.杨的双缝干涉和泊松亮斑的事实的确证下,光的粒子说开始崩溃了。

  菲涅耳的研究成果,标志着光学进入了一个新时期―弹性以太光学的时期。这个学说的成功,在牛顿物理学中打开了第一个缺口,为此他被人们称为“物理光学的缔造者”。

 

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