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托马斯杨及其光学成就

2011-2012第1学期物理学史作业

托马斯·杨及其光学成就

院（系）名称物理与电子信息学院

专业名称物理学

学生姓名刘永彦

学号*********

指导教师陶亚萍讲师

完成时间2011年11月9日

托马斯·杨及其光学成就

刘永彦

物理与电子信息学物理学专业学号：

*********

指导教师：

***

摘要：

托马斯·杨（1773～1829）英国物理学家、光的波动学说奠基人。

他主要物理成就是光的波动学说的提出。

托马斯·杨的研究所涉及的领域十分广泛，对物理学的发展做出了杰出的贡献。

文章在介绍托马斯·杨生平的基础上，回顾了他对声波学和光波学理论所做的贡献，概括了他的科研风格，并总结了他在物理学学术研究的活动及影响，及他与其他物理学家的交往和爱好。

关键词：

托马斯·杨；物理成就；声波学；光波学；牛顿环；双缝干涉；杨氏模量

摘要………………………………………………………………………………………………………1

1引言………………………………………………………………………………………………………3

2托马斯·杨生平及家庭………………………………………………………………………4

3托马斯·杨的科学成就………………………………………………………………………………8

3.1光学成就………………………………………………………………………………7

3．2其他成就……………………………………………………………8

4托马斯·杨的科研风格…………………………………………………………………………………………9

5托马斯·杨与其他物理学家的交往和爱好………………………………………………………10

6结束语…………………………………………………………………………………………………11

7参考文献………………………………………………………………………………………………11

1引言

从某种意义上讲，一个人能在一个方面有所研究就可谓功成名就，不虚度此生了。

像托马斯·杨这样的人，会让你感觉尽得上帝恩宠，他不仅在物理学领域领袖群英、名享世界，而且涉猎甚广，广到你觉得以一个凡人的智慧如何可以抵达！

光波学、声波学、流体动力学、造船工程、潮汐理论、毛细作用、用摆测量引力、虹的理论……力学、数学、光学、声学、语言学、动物学、埃及学……这实在是一个庞大的目录，更何况，他对艺术还颇有兴趣，热爱美术，几乎会演奏当时的所有乐器，并且会制造天文器材，还研究了保险经济问题。

这是一个将科学和艺术并列研究、对生活充满热望的天才，我们几乎可以这样说：

他生命中的每一天都没有虚度。

哦，值得勾选的目录还有一条：

托马斯·杨擅长骑马，并且会耍杂技走钢丝。

　如果冥冥中真有神在，我们不得不感叹，它是否是用骰子定乾坤，决定将神力交付与谁？

所有默默无闻的人们在仰视那些“天赋异秉”的人类时，心中能作何感想呢！

能成为百科式的科学家的人不说绝无仅有，也可谓真正意义上的凤毛麟角。

这样的“凤毛麟角”全世界只有说得着几位，而英国科学家﹑物理学托马斯·杨（1773～1829）就是其中一位。

他因提出光的波动学说享誉全世界。

由于他在物理学方面的卓越贡献，他被多部著作所收录。

托马斯·杨不仅在美国享有很高的声誉，在国际上也得到了肯定。

目前，国内方面已有不少介绍托马斯·杨的文章。

如广州日报（大洋新闻）的作者：

紫苏虽然在文章中对托马斯·杨有一定的介绍，但是这些文章由于篇幅有限没有托马斯·杨对的生平、物理贡献等进行详细的展开论述，因此还有进一步研究的必要。

我通过查阅相关资料，在回顾托马斯·杨不平凡的一生的基础上，比较详细地介绍了他在物理学方面做出的卓越贡献，并对他的科研风格，他在物理学学术研究活动及影响和与其他物理学家交往﹑爱好方面进行了简要地分析。

2托马斯·杨生平及家庭

托马斯．杨出生在英国萨默塞特郡密尔韦顿一个富裕的贵格会教徒的家庭。

他是十个孩子中的老大，是一个天才儿童。

杨两岁就学会了看书，十四岁时用拉丁文写过一篇自传，就在当时他已掌握了多种语言。

在中学时期，他已能够阅读拉丁文和布腊文的经典著作以及意大利和法国作家的著作，并且能运用这些作者的语言对所读过的内容做笔记。

他还把他的学习扩大到了东方语言―希伯来语、波斯语、阿拉伯语等。

他还学习过牛顿的《原理》、拉瓦锡的《化学纲要》以及其他的一些科学著作。

　　在杨成年后，他对职业的选择受到了他叔父的影响，他的叔父是一位卓越的医生，杨在家庭同意下转到了医学方面。

于是在十九岁时，他去伦敦学习医学。

他在伦敦见到了许多地位高的人物。

他经常拜访政治家伯克、画家雷诺兹以及贵族社会的一些成员，他开始成为见世面的人。

　　1797年回到英国，进入剑桥的伊曼纽尔学院继续攻读医学。

当时他大学里的同学都叫他为“奇人杨”，兼有嘲弄和尊敬之意。

进入伊曼纽尔学院后不久，杨曾去伦敦拜访他当医生的叔父，这位叔父去世时留给他一笔巨大遗产，包括房屋、书籍、艺术品和一万英镑现款。

这笔巨大遗产使他在经济上完全独立，帮助他度过了一生。

1799年杨在剑桥大学完成了学习。

那时他已读过了一些著名数学家例如欧拉、伯努利家族和达朗贝尔关于振动弦的著作，并且对他们的著作进行了深入钻研。

他在学习过程中提出了一些思想，只是后来他发现大陆数学家早在许多年前就已先于他而提出来了。

　　1799年，杨开始在伦敦行医。

当时的医学几乎没有什么疗效，诊断技术也极为落后。

公众健康问题还有许多事情待做。

杨的医学名声是好的，但并不杰出。

他也许是科学家的气质太浓了，作为时行的医生还不够，因此不能成为医学界的领导人物。

另一方面，他对眼睛生理学和解剖学写过不少论文，对颜色视觉的研究也获得了有长远学术价值的结果。

到1803年，杨已是知名的物理学家了，被聘为伦敦皇家学院自然哲学教授。

皇家学院是美国出生的汤普森、即后来的伦福德伯爵发起和出资创办的独特的学院。

杨在皇家学院时间不长，仅仅三年。

他缺乏教师所必需的讲课才能，他的讲课常常超出了学生的理解能力。

后来他编著了一部重要作《自然哲学和机械学讲义》，一共两卷，就是以他在皇家学院的讲义为根据的。

离开皇家学院后，杨把大部分时间致力于行医。

1802年他被选为皇家学会的外事秘书，他担任这个职务一直到他去世。

　　　杨出版的著作涉及的课题惊人地广泛，有生理光学、虹的理论、流体动力学、毛细作用、造船工程、用摆测量引力、潮汐理论等，这些只是他涉足的物理学课题中一个不完全的目录。

杨后来与《英国百科全书》合作，写过许多条目，例如有字母表、年金、吸力、毛细作用、内聚力、颜色、露、埃及、眼睛、焦点、摩擦、日月晕、象形文字、水力学、运动、阻力、船舶、声音、强度、潮汐、波动以及医学方面的所有他写过论文的课题。

1814年，杨发现了另一方面的兴趣―研究象形文字。

在拿破仑远征埃及时期，1799年在埃及发现了著名的刻有两种文字的罗塞达碑。

拿破仑被迫从埃及撤退时，石碑运动了伦敦。

杨在1814年对碑文进行了研究。

虽然在他之前，已有其他人研究过，但他取得了一个重大进展，他发现有些字是按语音写下的。

这就成为解释碑文的钥匙。

　　从大约1815年起，杨完全埋头于公务之中。

当时英国政府对长度和质量单位制的混乱状态很不满意，有必要予以改进。

但由于民族傲慢和狭隘的民族利益的阻挠，使得英国人很难接受法国人在革命时期所做的令人赞赏的工作。

于是，他们力图把英寸的定义与秒摆长度联系起来。

杨参加了这项工作。

结论是不值得赞赏的，然而英国议会却在1824年立法通过了它。

其次，杨还研究了生命保险问题。

他是一家重要的保险公司的统计检查官，即统计主任，待遇十分优厚。

1818年他被任命为《航海天文历》的主持人，做了不少工作以改进实用天文学和航海援助工作。

他的精力非常旺盛的一生于1829年结束，终年五十六岁。

3托马斯·杨的科学成就

3.1光学成就

托马斯．杨在物理学上最杰出的贡献是在光学和声学领域。

在1973年发表的关于生理光学的论文《对视觉过程的观察》中，他研究了眼睛对距离的调节问题，并证明眼睛适应不同距离，是靠改变眼球水晶体的曲度来进行的。

1800年，在继续进行这方面的实验中，形成了他对光的本质的看法，这一年他向皇家学会提出了《在声和光方面的实验和问题》的报告。

他认为，声和光都是波的传播，光是在充满整个空间的以太流体中传播的弹性振动，由于以太极稀薄，所以光是以纵波形式传播的，光的颜色和不同频率的声音是类似的。

他指了，在解释强光源和弱光源发出的光以同样的速度传播的问题上，用波动说比粒子说更容易，因为，光粒子为什么只以一个不变的速度运动，这是很难理解的。

论文中关于声学的一部分特别重要。

托马斯．杨在这部分分析了水波的干涉现象后指出，在声波迭加的情况下，会产生声音的加强和减弱、复合的声调和拍频。

“干涉”这个术语，就是他最先提出的。

杨做了著名的杨氏干涉实验，为光的波动说奠定了基础。

这个著名的实验如今已经进入中学物理课本：

让通过一个小针孔S0的一束光，再通过两个小针孔S1和S2，变成两束光。

这样的两束光来自同一光源，所以它们是相干的，结果表明，在光屏上果然看见了明暗相间的干涉图样；后来，又以狭缝代替针孔，进行了双缝实验，得到了更明亮的干涉条纹。

    杨氏（ThomasYong）所作的演示光的干涉效应的实验，第一次把光的波动学说建立在坚实的实验基础上，杨氏根据他的实验推算出光的波长，第一次测定了这个重要的物理量。

（1）实验介绍

    在单色光前放一狭缝S，S前又放有与S平行且等距离的两条平行狭缝S1和S2（在杨氏实验中，S、S1、S2均为小孔），S1和S2之间的距离很小（约为0.2mm），它们构成一对相干光源。

这里采用的是分割波阵面法。

在观察屏上（与狭缝之间的距离约为1m以上）出现一系列稳定的明暗相同的条纹，即干涉条纹。

如下图所示：

    条纹间的距离彼此相等，且都与狭缝平行，P0处的中央条纹是明条纹。

    增大双缝间距，中央条纹明纹中心位置不变，其它各级条纹相应向中央明纹靠近，条纹变密。

反之，条纹变稀疏。

    改变入射光波长，波长增大，条纹变稀疏。

反之，条纹变密。

    另外，还可以改变光源S位置，S下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移；而当S上移时，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。

    改变双缝与屏幕间距也会引起条纹的变化。

D减小，中央明纹中心位置不变，其它各级条纹相应向中央明纹靠近，条纹变密。

反之，条纹变稀疏。

（2）定量分析

因双缝间距d远小于缝到屏的距离D，P点处的光程差

式中θ是P点到双缝中心的连线与水平方向之间的夹角。

因θ很小，因此

干涉明条纹的位置可由相长干涉条件得到

满足上述条件的点在屏幕上是一条平行于狭缝的直线，因此在屏上出现一条明条纹。

k=0，1，2，…，分别对应于零（中央），1，2，…级明条纹。

    干涉暗条纹的位置可由相消干涉条件得到

满足上述条件的点在屏幕上是一条平行于狭缝的直线，因此在屏上出现一条暗条纹。

k=1，2，…，分别对应于1，2，…级暗条纹。

    明条纹之间、暗条纹之间的间距都是

因此干涉条件是等距离分布的。

在1801年发表的一篇报告中，托马斯．杨发展了惠更斯的光学理论，形成了波动光学的基本原理。

他提出了光波的频率和波长的概念，并解释了牛顿环现象。

在这篇论文中，他叙述了他所发现的“简单而普遍的规律”：

“同一束光的两个不同部分，以不同的路径要末完全一样地，要末在方向上十分接近地进入眼睛，在光线的路程差是某个长度的整数倍的地方，光就增强，而在干涉区域的中间部分，光将最强。

对于不同颜色的光束来说，这个长度是不同的。

”

　　他指出，牛顿环的明暗条纹，就是由不同界面反射出的光互相重合产生“干涉”的结果。

位相相反的振动迭加起来就互相抵消，位相相同的则互相加强。

他用实验的办法确证了他所提出的这一假设。

他用紫外光投射到薄层上，使紫外光从上下两个界面反射产生干涉。

由于紫外光是人眼所看不见的，他就让反射光落在涂有氯化银溶液的纸上，结果出现了黑环，从而证明了他的干涉原理。

他精确地确定了各种色光的波长值。

他指出：

“根据各种实验的比较，组成极端红光的波的宽度，在空气中，似应假定约为三万六千分之一英寸，极端紫光的约为六万分之一英寸。

”

在1803年11月24日的报告中，托马斯．杨把干涉原理应用于解释衍射现象。

他知道，光能绕过不透明物体的边缘产生有色的影子，并认为这种衍射条纹是直接通过衍射缝的光和边界波的干涉产生的。

在这篇论文中，他用光从较密介质反射时的半波损失，补充了他关于薄板颜色的理论。

上述这些实验和理论的研究，被托马斯．杨综合入1807年出版的《自然哲学讲义》中。

在这本书中，他描述了现在众所周知的双缝干涉的基本实验：

点光源的光通过两个相邻的平行狭缝，当这两速光相遇时，就在屏幕上形成一系列明暗干涉条纹。

杨在物理光学领域的研究是具有开拓意义的，他还第一个测量了7种光的波长，最先建立了三原色原理：

指出一切色彩都可以从红、绿、蓝这三种原色中得到。

3.2其他成就

杨出版的著作涉及的课题惊人地广泛，有生理光学、虹的理论、流体动力学、毛细作用、造船工程、用摆测量引力、潮汐理论等，这些只是他涉足的物理学课题中一个不完全的目录。

杨后来与《英国百科全书》合作，写过许多条目，例如有字母表、年金、吸力、毛细作用、内聚力、颜色、露、埃及、眼睛、焦点、摩擦、日月晕、象形文字、水力学、运动、阻力、船舶、声音、强度、潮汐、波动以及医学方面的所有他写过论文的课题。

杨研究了眼睛的调节机理，并在1794年，他二十一岁时，被选为皇家学会会员。

之后他从伦敦前往爱丁堡和哥廷根继续研究医学。

1814年，杨发现了另一方面的兴趣―研究象形文字。

在拿破仑远征埃及时期，1799年在埃及发现了著名的刻有两种文字的罗塞达碑。

拿破仑被迫从埃及撤退时，石碑运动了伦敦。

杨在1814年对碑文进行了研究。

虽然在他之前，已有其他人研究过，但他取得了一个重大进展，他发现有些字是按语音写下的。

这就成为解释碑文的钥匙。

杨做了一部分解释工作，更全在的解释则是法国埃及学专家钱波利翁完成的。

正如同在光学上一样，杨开辟了一个领域，然后由别人精心研究，终于取得成果。

杨还研究了生命保险问题。

他是一家重要的保险公司的统计检查官，即统计主任，待遇十分优厚。

1818年他被任命为《航海天文历》的主持人，做了不少工作以改进实用天文学和航海援助工作。

杨对弹性力学也很有研究，后人为了纪念他的贡献，把纵向弹性模量称为杨氏模量。

杨氏模数（Young'smodulus）是材料力学中的名词，弹性材料承受正向应力时会产生正向应变，定义为正向应力与正向应变的比值。

公式记为

E=σ/ε

其中，E表示杨氏模数，σ表示正向应力，ε表示正向应变。

杨氏模量大说明在压缩或拉伸材料，材料的形变小。

杨氏模量（Young'smodulus）是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量，也是材料力学中的名词。

1807年因英国医生兼物理学家托马斯·杨（ThomasYoung,1773-1829）所得到的结果而命名。

根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。

杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。

杨氏弹性模量是选定机械零件材料的依据之一是工程技术设计中常用的参数。

杨氏模量的测定对研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、橡胶等各种材料的力学性质有着重要意义，还可用于机械零部件设计、生物力学、地质等领域。

测量杨氏模量的方法一般有拉伸法、梁弯曲法、振动法、内耗法等，还出现了利用光纤位移传感器、莫尔条纹、电涡流传感器和波动传递技术（微波或超声波）等实验技术和方法测量杨氏模量。

除了科学，他还浸淫艺术，过着多姿多彩的生活：

音乐、美术甚至杂技一直滋养着他的生命。

他经历旺盛的一生于1829年结束，终年56岁。

4托马斯·杨的科研风格

重视实验是托马斯·杨物理研究方式的一个重要特点。

他看了大量有关实验的文献，并且还和很多实验专家、实验人员有很好的私人关系。

他善于从大量的实验结果中挖掘出有意义的东西，他的理论思想通常建立在实验基础上而不是建立在某一个正式系统模型基础上。

他最大的科研风格便是能够坚持真理，能够抵挡得住外界压力。

托马斯·杨对科学问题有敏锐的洞察力，往往能抓住问题的实质。

他的光的波动理论却没有立即得到重视，而且由于认为光是纵波，这给他的理论带来了很大的弱点。

他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻攻击，被说成是“没有任何价值”的、“荒唐”和“不合逻辑”的。

托马斯．杨虽然进行了回击，但仍未获得科学界的理解和承认。

这个自牛顿以来在物理光学上最重要的成果，就这样被缺乏科学讨论气氛的守旧的舆论压制埋没了将近二十年。

直到菲涅耳提出他的波动理论后，托马斯．杨才获得了应有的荣誉。

杨做了著名的杨氏干涉实验，为光的波动说奠定了基础。

然而，这个理论在当时并没有受到应有的重视，还被权威们讥为“荒唐”和“不合逻辑”，这个自牛顿以来在物理光学上最重要的研究成果，就这样被缺乏科学讨论气氛的守旧的舆论压制了近20年。

　　杨并没有向权威低头，而是为此撰写了一篇论文，不过论文无处发表，只好印成小册子，据说发行后“只印出了一本”。

杨在论文中勇敢地反击：

“尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。

我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。

”

5与其他物理学家的交往和爱好

曾经杨做了一些碑文的一部分解释工作，更全在的解释则是法国埃及学专家钱波利翁完成的。

正如同在光学上一样，杨开辟了一个领域，然后由别人精心研究，终于取得成果。

　　杨在晚年已成为世界上有成就的学者，他的彬彬有礼不只是表面上的。

他同他思想的伟大继承者菲涅耳（创建连接到:

科学人：

菲涅耳）和钱波利翁的关系，整个说来是光明正大的，甚至也是慷慨大方的，只是有时偶然表现出傲慢的态度。

他与钱波利翁发生过争论，主要原因在于钱波利翁，而不在于他。

他与菲涅耳的关系一直是亲切的。

光的波动说在英国的复兴，刺激了法国的牛顿学派，并推动了法国物理学界对光学问题的研究。

首先，法国的天文学家、数学家和物理学家拉普拉斯（P.S.Laplace，1749—1827）在对托马斯·杨答辩时，于1808年用光的微粒说分析了双折射现象。

1809年，法国物理学家马吕斯（E.L.Malus，1775—1812）发现了光的偏振现象，他本人认为这是对波动说的否定（事实上，这一实验现象只与惠更斯《光论》中的光是纵波的观点相矛盾）。

就在这一时期，法国出现了一位杰出的波动说的代表人物——菲涅耳。

　通过阿拉哥的介绍，菲涅耳注意到了杨的工作，同时把自己的第一篇论文寄给了这位英国医生。

令人欣慰的是，在杨菲涅耳之间没有发生优先权的争论。

相反，杨受到菲涅耳工作的激励，重新恢复了研究。

光的偏振现象发现后，大家都想法来解释它。

1817年杨想到，如果光的振动不是像声音那样沿着运动方向作纵向振动，而是像水波或者拉紧的琴弦那样作垂直于运动方向的横向振动的话，这个问题说不定可以得到解释。

这是一个绝妙的思想火花！

杨将这一思想于当年写信告诉了阿拉哥。

这一思想和假说，后来又被实验所证实，由此确立了光波是横波的观点。

1819年，菲涅耳和阿拉哥合作研究，提供了相互垂直的偏振光不相干涉的证明。

这样，光的横向振动理论（即光波是横波）得到了最终的证实。

这样，杨于1819年10月16日写信给菲涅耳，信中表达了对菲涅耳的敬意：

“先生，我为您赠送我令人敬羡的论文表示万分感谢，在对光学进展最有贡献的许多论文中，您的论文确实也是有很高的地位的。

”菲涅耳在收到·杨1819年的来信之前，参加了一次竞赛，即1817年法国科学院举办的关于光的衍射现象最佳科研成果的竞赛，并于1818年提交了论文。

科学院成立了评委会，评委会的成员中有波动说的支持者阿拉哥，有波动说的反对者泊松（S.D.Poisson，1781－1840）、毕奥（J.B.Biot，1774－1862）和拉普拉斯，有中立者盖·吕萨克（J.L.Gay-Lus-sac，1778—1850）。

尽管不少成员不相信菲涅耳的观念，但是由于他的计算结果和实验数据相一致，最后还是授予他优胜奖。

泊松根据菲涅耳的计算结果，得出在一个圆片的阴影中心应当出现一个亮点，这是令人难以相信的，过去也从没看到过。

但是菲涅耳的理论计算表明，当这个圆片的半径很小时，这个亮点才比较明显。

经过实验验证，果真如此。

　　通过他们菲的工作，比较牢固地确立了光的波动性的正确性，所以惠更斯与牛顿的这场争论，到惠更斯死后120年才告一段落。

光的波动实验和理论的研究，被托马斯·杨综合入1807年出版的《自然哲学讲义》中。

在这本书中，他描述了现在众所周知的双缝干涉的基本实验：

点光源的光通过两个相邻的平行狭缝，当这两速光相遇时，就在屏幕上形成一系列明暗干涉条纹。

但是，他的理论却没有立即得到重视，而且由于认为光是纵波，这给他的理论带来了很大的弱点。

他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆（LordBrougham）的尖刻攻击，被说成是“没有任何价值”的、“荒唐”和“不合逻辑”的。

托马斯．杨虽然进行了回击，但仍未获得科学界的理解和承认。

这个自牛顿以来在物理光学上最重要的成果，就这样被缺乏科学讨论气氛的守旧的舆论压制埋没了将近二十年。

直到菲涅耳提出他的波动理论后，托马斯．杨才获得了应有的荣誉。

6结束语

托马斯·杨对科学的热爱从来就没有停止过，直到去世前还就在他去世前还在编写一本埃及字典。

他一生对科学做出了杰出贡献，同时他又集众多优秀品质于一身。

每当人们谈到他时，总会用博学多才，才华横溢、温文尔雅、沉默寡言、思想深刻、心地善良、谦逊、豁达、乐观、坚定、正直等词汇来形容他。

托马斯·杨身上有太多的东西值得人们去细细品味：

首先，托马斯·杨能够获得诺贝尔物理学奖，这与他渊博的知识、敏锐的思维、密切关注实验分不开的。

其次，机遇总是垂青那些有有求知欲望的人，巴丁是一个学而不厌的科学大师。

他自学能力很强，同时又多种科学涉猎，甚至深有研究。

托马斯·杨身上具备的优点都值得我们学习，他也会得到我们永远的爱戴和怀念。

7参考文献

１．

２．

３．《物理》２０１０年第３１卷第６期