第一节 折射定律的确立 

　　1609年的望远镜的发明激励开普勒从事光学研究，并为这种仪器提供解释。他在1611年出版的著作《屈光学》中，发表了对折射光学的研究成果。 
　　开普勒对入射角和相应的折射角做了许多次的测量，想在实验中发现入射角和相应的折射角之间有规律的关系，结果未能成功。但他认识到，对于小于30°的入射角，入射角和相应的折射角成近似固定的比（光线从空气到玻璃时的固定比为3/2）；对于大的入射角，这个近似关系不再成立。这样，开普勒把托勒密对折射规律的研究推进了一步。开普勒还发现，当光线由玻璃向空气中入射时，若入射角超过42°时，会发生全反射现象。 
　　利用这个折射的近似规律，开普勒给出了透镜和透镜系统成像的近似理论，对望远镜的工作原理最先作出了正确的解释，并设计出几种新型望远镜。 
　　正确的折射定律是由荷兰科学家斯涅耳（W.R.Snell,1591—1626）在1621年发现的，虽然还不是今天大家所熟悉的正弦表示。根据惠更斯的叙述，斯涅耳把折射定律表述如下：在下同的介质里入射角和折射角的余割之比总是保持相同的值。由于余割和正弦成反比，斯涅耳的表述等价于现代的表述。斯涅耳没有公布他的这一发现。 
　　折射定律的现代的表述是笛卡儿1637年在他的《屈光学》一书中给出的，他没有提到斯涅耳，可能是他独立发现的。笛卡儿没有做实验，他是从以下的假定推导出这个定律：[1]光速在较密的介质中较大（现在知道，这是错误的）；[2]在相同的介质里这些速度对于各种入射角都有相同的比率；[3]在折射时，平行于折射面的速度分量保持不变（现在知道，这是错误的）。 
　　数学家费玛不同意笛卡儿关于光速在光密介质中较大的假定，并从下述假定推导出光的反射定律和折射定律，即光以最短的时间从一种介质的某一点传播到另一种介质的某一点，而且在较密的介质中光速较小。1744年，莫泊丢从“最小作用原理”出发，假定光速与折射率成比例，也导出了折射定律。综上所述，到17世纪中叶，几何光学的基础已经奠定。 

第二节 光的微粒说和波动说的提出 

　　近代微粒说是笛卡儿首先提出的，他认为光是由大量微小的弹性粒子组成的，光的折射和反射是由 其粒子所遵循的力学定律所决定的。光的波动说最初是由意大利人格里马耳(F.M.Grimaldi,1618-1663）提出的。在他死后不久（1665年）出版的著作《发光、颜色和虹彩的物理数学》中，他叙述了衍射现象的发现，并提出光是一种作波状运动的流体的猜测。胡克在1665年认为，光是发光体微粒的小振幅的快速振动，这些振动呈一系列球脉冲播散。 
　　1672年，牛顿向皇家学会提交了《关于光和色的新理论》的一封信，描述了他早在1666年就开始进行的一系列色散实验。通过实验，他完成了把白光分解为单色光，又由这些单色光组合而成白光的这一完整的科学认识过程。他下结论说：“光本身是一种折射率不同的光线的复合混合物”。他进一步假设：“如果假定光线是发光物质向四面八方发出的微小物体，那么当这些微小物体碰撞任何折射或反射面时，一定象石子抛入水中情形一样，也必然在以太中激发出振动。”并且“按照这些振动的大小和混合情况而产生不同的颜色感觉。”因此，牛顿最初是企图把微粒说和波动说结合起来解释光和色的。在1704年出版的《光学》一书中，他为了解释包括牛顿环在内的薄膜干涉现象，又提出了“阵发（fit）理论，仍企图把微粒说和波动说结合起来解释光的干涉。 
　　在1678年提交的论文和1689年出版的著作《光论》中，惠更斯发表了最早、最重要的波动理论。他把光看作是在媒质中传播的波，与声波类似，但光通过的媒质不是空气，而是一种由坚硬的弹性微粒组成的“以太”。以太中的每一受激微粒都变成一个球形子波中心，同时向四面八方传播脉冲；光束在传播过程中相互交叉时互不妨碍。根据这一所谓惠更斯原理，惠更斯成功地解释了光的折射和反射。但对于经过冰洲石双折射后得到的偏振光，惠更斯由于坚持光波象声波一样是纵波的观点，因而无法解释。 
　　由于惠更斯的波动理论无法解释双折射现象，加之缺乏数学的严密性，牛顿后期越来越倾向微粒说。由于牛顿的权威，也由于波动说本身的缺陷—纵波观点和未考虑波面上各点之间的相互干涉，在微粒说和波动说进行过一番较量后，大部分人接受了牛顿的微粒说而放弃了惠更斯的波动说。18世纪光学处于停滞不前的时期。 

第三节 波动光学的复兴 

一. 托马斯·杨的干涉原理 
　　波动说的复兴首先归功于英国医生托马斯·杨（T.Young,1773-1829）。通过对听觉和视觉的研究，他开始转入对声学和光学的研究，放弃了从事多年的医学。 
　　1800年，托马斯·杨发表了题为《关于光和声的实验和问题》的论文，对微粒说提出了尖锐的质疑。既然发出光微粒的物体是不同的，那么为什么光微粒都具有相同的速度？为什么光微粒在遇到另一种介质的时候，会有一部分反射而另一部分折射呢？他认为，如果把光看成类似于声音的波动，那么这些问题会得到解决。 
　　1802年，托马斯·杨发表了著名的论文《光和色的理论》。他认为，整个宇宙中充满了稀薄的、具有很大弹性的以太；光是发光体在以太中激起的波动；光的颜色取决于光波动的频率。受牛顿的潮汐理论里，关于不同通道的水汇合于一处港口时会产生相长或相消叠加的启发，他提出了干涉原理： 
“只要同一光线的两部分精确地或非常接近地沿着相同的方向以不同的路线到达我们的眼睛，如果其路程差是某一长度的整数倍，则光会变得最强；而在这些干涉部位中间的状态光会变得最弱。对于不同的颜色的光，这一长度是不同的。” 
　　为验证自己的理论，托马斯·杨设计了著名了杨氏干涉实验，并第一个用实验方法成功地测得了红光和紫光的波长，它们分别为0.0000256英寸（6500A°）和0.0000174英寸（4420A°）。他还利用牛顿环现象作为自己理论的佐证。1803年，托马斯·杨在《物理光学的实验和计算》一文中，利用干涉原理解释了获得毛发阴影时出现的衍射现象。 
　　托马斯·杨首次把光描写成按一定的周期或频率往复变化的波动，明确地引进了波长和光程差的概念，从而建立了第一个真正的光的波动学说。他的理论能够解释干涉现象，这是惠更斯的理论所做不到的。不过，托马斯·杨缺乏解析的数学表示，基本上是一些定性的或对一些特殊情况的描写，难以处理衍射问题。因此，当时的许多物理学家觉得托马斯·杨的论文几乎是空泛的议论，不值得认真对待。 
三. 菲涅耳的衍射理论 
　　菲涅耳(A.J.Fresnel,1788-1872)生于法国诺曼底。原是一位土木工程师，1815年开始发表光学研究论文，独立地发现了干涉原理。当他得知托马斯·杨早在13年前已作出该发现时，他于1816年在致托马斯·杨的信中写道： 
　　“当一个人以为他已经作出了某种发现的时候，如果他得知另外一个人已经在他之前有了这种发现，他不会不感到遗憾......如果说有什么可以使我感到安慰的话，那就是使我有机会认识一位伟大的科学家，他以大量的重要发现而丰富了物理学的宝库。与此同时，所发生的这一切使我对我所研究的理论的正确性更加充满信心。” 
　　托马斯·杨在1819年给菲涅耳的回信中写道：“我为您送我令人敬羡的论文表示万分感谢，在光学进展最有贡献的许多论文中，您的论文确实有很高的地位。” 
　　在对于科学的发现优先权问题上，菲涅耳和托马斯·杨相互谦让，相互理解，这是物理学史中一段值得让人怀念的佳话。 
　　菲涅耳具有卓越的数学才能，他随后考虑把波动的周期性相位变化同惠更斯原理结合起来，并用解析的形式进行精确的表达。他考虑的是，在给定时刻，从任何部位传到指定地点的所有振动的叠加。这就是所谓的惠更斯-菲涅耳原理。应用该原理，菲涅耳对衍射问题进行了精确的计算。 
　　此时，由于拉普拉斯（P.-S.M.de Laplace,1749-1827）的光学研究支持了微粒说，法国这一学派的科学家为进一步推动微粒说的发展，1817年促成巴黎科学院以光的衍射为论题设立1819年物理学征文奖。在评奖委员会中拉普拉斯、泊松（S.-D.Poisson,1781-1840）和比奥（J.B.Biot,1774-1862）都是微粒说的支持者，盖-吕萨克(Gay-Lussac,1778-1850)是中立者，只有阿拉果（D.F.J.Arago,1786-1853）是波动说的支持者。 
　　在阿拉果的鼓励下，菲涅耳于1818年向科学院提交了应征论文。他详细地计算了直边、窄条和狭缝的衍射图样，并提供了实验证明。泊松在阅读菲涅耳的论文后指出，根据菲涅耳的理论，小圆盘衍射图样的中心会是亮点。菲涅耳很快完成了这个问题的理论计算和观察实验。这个出乎意外的肯定结果使评委们一致信服。菲涅耳不仅获得了征文奖，而且为光的波动说战胜微粒说作出了决定性的贡献。 
三.光的横波理论的提出 
　　首先从双折射现象研究中发现偏振现象的是法国的一位军事工程师马吕（E.-L.Malus,1775-1812）。为应法国科学院提出的关于双折射数学理论论文的征文，马吕1808年开始从事双折射研究。一天傍晚，他从家里的窗口通过方解石晶体观望卢森堡宫的窗子时，他惊奇地发现，原来应该看到双重影像的，现在只能看到一个影像，这即是说，两束折射光线中有一束消失了。他随后又用蜡烛检验光在水面上的反射，在一定角度下同样也有一束光线消失。他把这种现象称为“偏振”，并用微粒说来解释该现象。 
　　马吕关于偏振与光的入射角有关的论断，被英国物理学家布儒斯特（Sir D.Brewster,1781-1868）于1811年通过实验证实。当反射线与折射线成90°角时，则反射光为全偏振光，这就是布儒斯特定律。 
　　马吕的发现促使人们对光偏振的研究。阿拉果于1811年发现了色偏振现象，菲涅耳坚信这也是光的一种干涉效应。他们两合作进行实验，又发现偏振方向互相垂直的两束偏振光，不会发生干涉。托马斯·杨于1816年得知这一结果，在1817到1818年几次给阿拉果的信中明确提出，光应当是象弦振动那样的，振动方向与传播方向垂直的横波。只有这样才能解释偏振现象。但是，他没有把这一想法发展成一套详细的理论。 
　　菲涅耳看到过托马斯·杨给阿拉果的信，他自己可能也有过类似的想法。1821到1822年，他公开提出了光的横波理论，并系统地解释了双折射、色偏振等一系列现象。以固体作类比，菲涅耳指出，只要假设光以太象固体那样具有一定的刚性，就可以传播作为横波的光。 
　　光的横波性和光速很快的事实，要求以太在传播光波时表现得象一种很坚硬的固体，而当重物在其中运动时，又必须不受任何障碍，这的确是矛盾的。1845年，英国数学家斯托克斯（G.G.Stokes,1819-1903）又提出一种设想：以太可能象温热的沥青和蜡，或者象果子冻一样，既具有一定的弹性可以做快速的振动，又松软得允许物体在其中自由运动。以后几十年间，尽管有许多假设，但一直没有满意的答案。 

第四节 光速的测定 

　　关于光是否以有限的速度传播，在伽利略以前的人们一直有不同的看法。伽利略第一个坚持光速有限且可以测定。他和他的助手曾分别站在两个山头上，用灯闪光方法测定光速。由于无法确定极短的时间，实验没有成功。 
　　1676年，丹麦天文学家罗默（O.Romer,1644-1710）利用木星卫星星蚀现象证明光速有限。不久，惠更斯根据罗默的观测数据首先计算出光速值约为210000公里/秒。这个值约为现在公认值的三分之二，误差的原因主要是罗默对时间测定的不准确。 
　　1728年，英国天文学家布莱德雷（J.Bradley,1693-1762）采用恒星的光行差法，测得光速的值为299930公里/秒。这一数值比较接近现在的公认值。 
　　在地面上首先成功测出光速的是法国物理学家斐索（A.Fizeau,1819-1896）。他于1849年创造了转动齿轮法，即巧妙地利用转动齿轮作为遮光测时设备，确定光传播时间，再通过光程计算光速。他的实验数据为：L（齿轮和平面镜间的距离）=8.633公里，N（齿轮齿数）=720，Z（齿轮转动数）=12.6/秒。利用公式C=2L/Δt，Δt=1/2NZ，则可算出C=313000公里/秒。 
　　由于齿轮的齿有一定的宽度，因此遮断光线的时间有一定的间隔，从而使测定时间有误差；又由于齿轮的转速不能无限制提高，因而不能较大增加遮断光的次数以更准确的测定时间。所以斐索的转动齿轮法还存在着缺陷。但是，他的巧妙设计有开创之功，其设计思想对以后测定光速的方法都有一定的影响。 
　　1850年，斐索的朋友和合作者傅科（J.L.Foucault,1819-1868）设计了测量光速的另一种方法：“转动平面镜方法”。利用平面镜的转动把光往返于平面镜和凹面镜之间的极短时间测定出来，从而测出光速。他的测定结果发表于1862年，所测定的光速值为298000公里/秒。 
　　傅科在平面镜和凹面镜之间的光路上放上一个水槽来测量光在水中的速度。正如波动说所预言的那样，水中光速度比空气中要小。这样，波动说就得到了决定性的实验证据。 
　　傅科的设计在实际测量中也存在缺陷：平面镜转动而引起光源的像移很小，不易测定，因此影响到测量的准确度。 
　　后人对光速的测定大多基于傅科的方法，并不断有所改进，使得测定的光速值的准确度越来越高。最著名的是美国著名物理学家迈克耳孙（A.A.Michelson,1852-1931）。从1879年至1926年，他从事测定光速50年不间断，对实验设备和技术作了很大的改进，在傅科设计的基础上创设了旋转棱镜法，即用一个正八面钢质棱镜代替了转动平面镜，延长了光路，减小了误差。1926年他发表的最后一个测定值为：C=299796GO公里/秒。这是当时最精确的数值，同傅科的最初结果相比，精确度提高了100倍。 
　　与此同时，也有人采用新的遮断法测定光速，例如利用克尔盒代替斐索方法中的转动齿轮，以弥补斐索法的缺陷。随着光的电磁理论的建立，对光速的测定方法又有了更新的发展。 

第五节 光谱的研究 

一. 不可见光的发现 
　　扩大对光本质的认识，第一步是不可见光的发现。首先发现的是热作用很强的不可见光—热辐射。 
1777年，瑞典化学家舍勒（K.W.Scheele,1742-1798）首先提到热辐射现象，指出它可以穿透空气、玻璃等透明物质，能被金属反射。1790年,法国人皮克特（M.A.Pictet,1752-1825）论述了辐射热和传导热的不同，他认为前者是沿直线快速传播的。那时人们已清楚知道辐射热是和光同时产生的。 
　　到了1800年，英国天文学家赫歇耳（F.W.Herschel,1738-1822）用灵敏温度计测量太阳光谱各部分的热作用，结果发现在红外侧有热作用最强的不可见光线—红外线。 
　　早在1777年，舍勒就发现，各种光使氯化银变黑的作用大小随光的颜色而异，紫色光作用最强。到了1801年，德国化学家里特（J.W.Ritter,1776-1810）发现，这一化学作用一直扩展到光谱紫色的外侧，而且紫外部分最强。因此存在着紫外光线。 
二．光谱的观测 
　　1666年牛顿用三棱镜把太阳光分解成连续的光谱，它不仅为颜色理论奠定了基础，而且为光谱学的发展开辟了道路。不过牛顿没有观测到光谱谱线，因为他当时不是用狭缝，而是用圆孔作光阑，再加上他使用的棱镜的分辨本领很低。 
　　1748-1749年间，英国人梅耳维尔（T.Melvill）用棱镜观察了多种材料的火焰光谱，其中包括钠的黄线。但他的论文一直被忽视，没有引起人们的重视。 
　　1802年英国化学家沃拉斯顿（W.H.Wollaston,1766-1828）研究了通过细长狭缝的太阳光的光谱，发现它被几条暗线所分开。他首次观察到了太阳光谱的不连续性，但误以为那些暗线是颜色的分界线。后来他又研究了火焰的光谱，发现它由五条亮线组成。他的这些发现并未引起人们的注意，他自己也没有进一步去追究。 
　　线光谱的研究基础是由德国物理学家夫琅和费（J.Fraunhofer,1787-1826）奠定的。1815年，通过纵向狭缝的太阳光射入火石玻璃三棱镜，用小望远镜对它进行观察，他发现光谱被若干条暗线所分开，并对其中8条特别显著的暗线以A、B、...H等字母命名（人称夫琅和费线）。这些暗线后来成为比较不同玻璃材料色散率的标准，为光谱的精确测量提供了基础。他通过一系列实验推测暗线的起源来自太阳。他还发现太阳光谱中的D线和在蜡烛火焰光谱中的黄线是一致的。这一发现给后人留下了重要的启示。1821年，夫琅和费详细地研究了衍射现象，在波动说的基础上导出了从衍射图形求波长的关系式。接着，他开始研制作为光谱研究工具的衍射光栅。他起初用细金属丝等距离排列来作为衍射光栅，后来将金箔贴在玻璃板上，用金刚石在上面划许多平行线来作为衍射光栅。利用自制的光栅，他确定了主要暗线的波长。 
二.光谱分析的创立 
　　赫歇耳生前考察了几种物质的明线光谱，并在1823年出版的著作《论光》中指出：每种化学元素只要能变成炙热的气体，就能产生自己独有的线状光谱，利用这些谱线就可以检验某种金属元素的存在。 
1832年，布儒斯特发现透过发烟硫酸的太阳光的光谱中有暗线和光带，他认为，这些暗线产生于地球大气对光的吸收，或者是太阳大气对光的吸收。他设想把这种暗线用于化学分析。1835年，惠斯通（Wheatstone）用不同金属电极产生的点火花作为光源，发现不同的金属有不同的谱线，可以作为各自的特征。1845年，英国化学家米勒（W.H.Miller,1801-1880）证明了钠的亮线与太阳光谱中的D线恰好相同。1849年，傅科也发现了同样的现象。他在弧光灯的的电极上钠盐，结果在与D线同一位置上得到了亮线。但是，如果让太阳光穿过电弧，太阳光谱中的D线就会变得更暗。傅科由此得出结论：同一电弧在产生D线的同时，还吸收别处来的D线，暗线是由吸收造成的。斯托克斯在1852年从实验得出这样的结论：D线不论是以亮线，还是暗线出现，都应归因于钠蒸汽，一个是发射，一个是吸收。他应用共振原理阐述光波的吸收，把光的发射归功于原子的振动。遗憾的是，他的这一些宝贵的思想没有及时发表，若干年后由他人才将之公布于世。 
　　把光谱分析系统、完善、透彻的是德国物理学家基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）。1859-1862年期间，他对光谱的吸收和发射之间的关系作了深入的研究。他首先将食盐投入火焰，获得了强烈的钠亮线，将太阳光通过这一火焰。此时如果使太阳光大大减弱后再通过就可以看到亮线，但如果渐渐增强太阳光，一超过某一界限，亮线就突然消失，在同一地方出现了D的暗线。这一D线明显地要比没有食盐时更清楚。接着，他用电石灯取代太阳光，观察到了同样的反转现象。 
　　基尔霍夫的这一结果，引起他在两个方向上作深入的研究。一方面是对光谱反转作理论上的说明，提出了基尔霍夫辐射定律，接下去发展到量子论的诞生。另一方面，他根据这一理论说明作出结论：太阳光谱中的暗线只不过是表示，发出与此暗线同样波长的亮线的物质的温度较低的蒸汽包围着温度较高的太阳本体。他断定在太阳大气中存在有钠、镁、铜、锌、钡、镍。这个结论宣告了天文学的新纪元—天体物理学的诞生。 
　　基尔霍夫和本生（R.W.Bunsen）合作，把光谱分析法应用于化学分析，发现了铯（1860年）和铷（1861年）。克鲁克斯（W.Crookes）发现了铊，里奇（）发现了铟（1863年），波依斯邦德朗()发现了镓（1875年），他们用的都是光谱分析法。