第一节　光的波动性

至17世纪，光的本性的研究基本上形成了两种学说，一种是波动学说，这种学说的代表人物是荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens），1690年在他的著作《轮光》中把光的传播方式和声音在空气中的传播作比较，指出了光是一种波动，而且认为是与声波、水波一样的球面波。波动光学是光学中非常重要的组成部分，内容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等，无论理论还是应用都在物理学中占有重要地位。粒子在光场或其他交变电场的作用下，产生振动的偶极子，发出次波。用这种模型来说明光的吸收、色散、散射、磁光、电光等现象，甚至光的发射也是一般波动光学的内容。电磁波理论应用到晶体称晶体光学。光波波长约为（3.9～7.6）×10^-7m，一般障碍物或孔隙都远大于此，因而通常显示出光的直线传播现象。同时，惠更斯还从理论上总结出光波传播的普遍规律，提出了著名的“惠更斯原理”（Huygens principle）：波源发出的波阵面上的每一点都可视为一个新的子波源，这些子波源发出次级子波，其后任一时刻次级子波的包迹决定新的波阵面。惠更斯原理用光的波动性能确定光波的传播方向，但不能确定沿不同方向传播的光振动的振幅。运用这个原理，惠更斯不但成功地从理论上解释了光的反射和折射规律，而且还解释了方解石发生的双折射现象。

光的波动说虽然取得一些成功，但还存在一些难以解释的问题。比如躲在门背后的人他能够听到发生在门外面的声音，这显示声波是能够绕过门而传播的，如果光是一种波动，它也应该有这种性质，即躲在门后面的人也能够看见门外的人和物，但实际上是看不到的。其次，光束是直线传播的，光的波动说也无法给出合理的解释。还有，由于惠更斯等认为光波和声波一样是一种纵波，因此无法解释光的偏振现象；而且惠更斯提出的波动实际上只是一种脉动而不是一个波列，也没有建立起波动的周期性概念。因此，用此理论还无法解释光颜色的起源等一些基本光学问题。

能够解释惠更斯波动理论存在的这些问题，并且能够说明光波是什么性质的波动的是19世纪英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879）。

麦克斯韦通过对电磁波现象的研究，建立了电磁学，提出了电磁波的概念，由理论上推断出电磁波的传播速度与光的传播速度相同。因此，他认为光波是一种电磁波。到1888年德国物理学家HR赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在实验室中证实了电磁波的存在，并测量了电磁波传播速度。接着他又证实电磁波的振动性及它的反射、折射、衍射等特性与光波相同，肯定了光的电磁波性质，是属于在一定频率范围内的电磁波，明确了光波的本质，同时给出其特征参量，主要有周期（时间周期）T、光波频率v（或者圆频率ω）、光波波长（空间周期）λ、波数κ、光波传播速度c、光波强度以及光波电场强度。光波的周期、频率、波长以及波数之间的关系是

各种波长的电磁波中，能为人眼所感受的是波长400～760nm的窄小范围电磁波（图1-1-1）。对应的频率范围是：

图1-1-1　电磁波谱

这波段内的电磁波叫可见光。在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉（表1-1-1）。

表1-1-1　颜色知觉与波长范围

由于光的频率极高（10¹²～10¹⁶Hz），数值很大，使用起来很不方便，所以通常采用波长表征，光谱区域的波长范围约在1～10nm。