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最早的光譜學-牛頓的光學著作

發布時間:2019-12-03 11:29:56         點擊:250

       歷史上的偉人對于光學的研究很多,牛頓也曾對光學進行過研究,他對于光學有一本經典著作,反映了光學成就。


       1666年,牛頓把通過玻璃棱鏡的太陽光分解成了從紅光到紫光的各種顏色的光譜,他發現白光由各種顏色的光組成。

牛頓的光學

牛頓的光學


牛頓的《光學》是他的另一本科學經典著作(1704年)。該書用標副標題是“關于光的反射、折射、拐折和顏色的論文”,集中反映了他的光學成就。

第一篇是幾何光學和顏色理論(棱鏡光譜實驗)。從1663年起,他開始磨制透鏡和自制望遠鏡。在他送交皇家學會的信中報告說:“我在1666年初做了一個三角形的玻璃棱鏡,以便試驗那著名的顏色現象。為此,我弄暗我的房間……”接著詳細敘述了他開小孔、引陽光進行的棱鏡色散實驗。關于光的顏色理論從亞里士多德到笛卡兒都認為白光純潔均勻,乃是光的本色?!吧饽耸前坠獾淖兎N。牛頓細致地注意到陽光不是像過去人們所說的五色而是在紅、黃、綠、藍、紫色之間還有橙、靛青等中間色共七色。奇怪的還有棱鏡分光后形成的不是圓形而是長條橢圓形,接著他又試驗“玻璃的不同厚度部分”、“不同大小的窗孔”、“將棱鏡放在外邊”再通過孔、“玻璃的不平或偶然不規則”等的影響;用兩個棱鏡正倒放置以“消除第一棱鏡的效應”;取“來自太陽不同部分的光線,看其不同的入射方向會產生什么樣的影響”;并“計算各色光線的折射率”,“觀察光線經棱鏡后會不會沿曲線運動”;最后才做了“判決性試驗”:在棱鏡所形成的彩色帶中通過屏幕上的小孔取出單色光,再投射到第二棱鏡后,得出核色光的折射率(當時叫“折射程度”),這樣就得出“白光本身是由折射程度不同的各種彩色光所組成的非勻勻的混合體”。

光譜狹縫

光譜狹縫

這個驚人的結論推翻了前人的學說,是牛頓細致觀察和多項反復實驗與思考的結果。 在研究這個問題的過程中,牛頓還肯定:不管是伽利略望遠鏡(凹、凸)還是開普勒望遠鏡(兩個凸透鏡),其結構本身都無法避免物鏡色散引起起的色差。他發現經過仔細研磨后的金屬反射鏡面作為物鏡可放大3040倍。

1671年他將此鏡送皇家學會保存,至今的巨型天文望遠鏡仍用牛頓式的基本結構。牛頓磨制及拋光精密光學鏡面的方法,至今仍是不少工廠光學加工的主要手段。

其后一直到1802年,涅拉斯頓觀察到了光譜線,其后在1814年夫瑯和費也獨立地發現它,牛頓之所以沒有能觀察到光譜線是因為他使太陽光通過了圓孔。而不是通過狹縫。

       在1814-1815年之間,夫瑯和費公布了太陽光譜中的許多條暗線,并以字母來命名,其中有些命名沿用至今,此后便把這些線成為夫瑯和費暗線。

實用光譜學是由基爾霍夫在19世紀60年代發展起來的,他們證明光譜學可以用作定性化學分析的新方法,并利用這方法發現了幾種當時還未知的元素,并且也證明了太陽里也存在著多種已知元素。

19世紀中葉起,氫原子光譜一直是光譜學研究的重要課題之一,在試圖說明氫原子光譜的過程中,所得到的各項成就對量子力學法則建立了很大的促進作用。

《光學》第二篇描述了光照射到疊放的凸透鏡和平面玻璃上的“牛頓環”現象的各種實驗。除產生環的原因他沒有涉及外,他作了現代實驗所能想到的一切實驗,并作了精確測量。他把干涉現象解釋為光行進中的“突發”或“切合”,即周期性的時而突然“易于反射”,時而“易于透射”,他甚至測出這種等間隔的大小,如黃橙色之間有一種色光的突發間隔為189000英寸(即現今2854×1010米),正好與現代波長值5710×1010米相差一半!   

《光學》第三篇是“拐折”(他認為光線被吸收)即衍射、雙折射實驗和他的31個疑問。這些衍射實驗包括頭發絲、刀片、尖劈形單縫形成的單色窄光束“光帶”(今稱衍射圖樣)等10多個實驗。牛頓已經走到了重大發現的大門口卻失之交臂。他的31個疑問極具啟發性,說明牛頓在實驗事實和物理思想成熟前并不先作絕對的肯定。

牛頓在《光學》一、二篇中視光為物質流,即由光源發出的速度、大小不同的一群粒子,在雙折射中他假設這些光粒子有方向性且各向異性。由于當時波動說還解釋不了光的直進,他是傾向于粒子說的,但他認為粒子與波都是假定。他甚至認為以太的存在也是沒有根據的。   

在流體力學方面,牛頓指出流體粘性阻力與剪切率成正比,這種阻力與液體各部分之間的分離速度成正比,符合這種規律的(如、空氣與水)稱為牛頓流體。

在熱學方面,牛頓的冷卻定律為:當物體表面與周圍形成溫差時,單位時間單位面積上散失的熱量與這一溫差成正比。

在聲學方面,他指出聲速與大氣壓強平方根成正比,與密度平方根成反比。他原來把聲傳播作為等溫過程對待,后來P.S.拉普拉斯糾正為絕熱過程。

 

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