光的波动性:物理光学

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物理光学是研究光的本性以及光在媒质中传播时各种性质的学科，亦称波动光学它从光是一种波动出发，说明光的干涉、衍射等现象。
1)光的干涉。中两个或两个以上波源发出具有相同频率、相同振动和恒定相位考的波在空间参加时，在交替的不同区域产生加强或减弱的现象，称为光的干涉。这是所有波动现象的共同性质。光的干涉形成的纹样是明暗相间的各级(对单色光)或彩色条纹。能产生相千叠加效应的光称为相千光。相千光必须频率(颜色)相同、方向相同、相位差恒定。普通光源发出的光并不满足这些条件，因为它们是由光源中各个分子或原子发出的波段组成的，而这些波粒之间没有恒定的相位联系天此，来自两个独立光源的光波，即使频率相同，振动方向相，也不大可能产生于涉现象。同一光源的不同部分发出的光也不满足相千条件。只有从同一光源同一部分发出的光，通过某些装置进行分束后，才能获得符合相干条件的光。1801 年，托马斯·杨用双缝实验首次观察到光的干涉现象，这就是有名的杨氏实验。让太阳光通过一个针孔，再让其通过离这个针孔有一定距离的两个针孔，在两孔后面的屏幕上得到于涉图像。用相互平行的狭缝代替针孔，可得到较为明亮的干涉条纹。
1818 年，法国物理学家菲涅耳设计了另一种更好的干涉实验。他用一个磨制得厚度很小、截面底角仅为1’的等腰三角形棱镜，由狭缝光源发出光波，经双棱镜两斜面折射，分为两末相于光波，这两束光相当于两个相干虚光源，在棱镜后面的屏幕上，两束光的重叠区域内出现干涉图像。
在日常生活中我们偶尔也可以观察到光的于涉现象。雨后马路上的积水被路过的汽车滴上了一层油膜，由于油膜厚度不均匀，在阳光下不同反射面反射的阳光形成彩色干涉纹样。
(2)光的行射。波在传播过程中遇到障碍物时能绕过障碍物的边缘在障碍物后面继续传播的现象，叫波的衍射。如水波可以绕过闸口、船尾，声波可以绕过门窗，无线电电磁波可以绕过高山等，都是波的衍射现象。光波在遇到障碍物或通过小孔时，会传播到阴影区域并可能形成能量重新分布的明暗相间条纹，这种现象叫光的衍射。(3)光的散射。光在媒质中前进时，部分光线偏离原采方向分散传播的现象，叫光的散射。引起光散射的原因有两个:一是由于媒质中存在其他物质的微粒:二是由于媒质的密度不均匀(密度涨落)。例如，空气中含有烟尘、水滴、冰晶，天空会呈现不同的色彩。无云的高空之所以呈现蔚蓝色，是因为空气中尘粒对蓝色光的散射能力比对红、黄色光强 10 倍。而在日落日出之际，红色光不易被散射，从而透过厚大气层，使太阳及远处云层呈橙红色。铁路信号及雾天汽车头灯常用红色，
是因为红色光在雨雾中有更好的穿透性。光通过纯净物质时，由于组成该物质的分子密度不均匀，也会发生散射现象。(4)光谱。白色光经过棱镜等色散系统分光后，按波长(或频率)的大小依次排列的图谱叫光谱。太阳光经三棱镜后形成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序排列的彩色连续光谱，其波长对应于 7 700-3 900 埃的区域，在可见光谱之外还有红外
光谱和紫外光谱。1814 年，德国科学家夫琅和费对太阳光谱线进行了研究，发现它是由 576 条暗线组成的(实际上应该有 3 万多条)。这些暗线属于吸收光谱，是从炽热物体发出的光经过温度较低的物质大气时，对应于吸收物质原子能级的特征波长的光子被吸收了，形成对应的暗线。一般说来，物质吸收光谱的波长与该物质某些发射光谱的波长相等。夫琅和费观察到太阳光谱暗线就是太阳上对应物质燃饶发出的光谱。观察这些谱线并与地球上观察到的对应物质谱线对照，可以了解太阳上的物质分别是氧、氢、钠、铁、钙、碳等元素。
同一种物质的谱线可以有多条，对应于原子内不同层次的电子跃迁发射的光子。这种夫琅和费谱线是分析太阳大气化学成分的主要手段。