第四章光的本性是什么.ppt

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1、第四章 光的本性是什么？,这50年的沉思，并没有使我更接近于什么是光量子“光子”这个问题的解决。爱因斯坦1955年临终前不久的话,版权所有 复制必究,高等教育出版社,人类对光学的研究早在两三千年前就初见端倪。墨经中的光学 在墨经中还记载了丰富的几何光学知识。墨子在当时就已知道光是沿直线传播的。墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果做出了精辟的见解。在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就会出现一个倒立的人影。为什么会这样呢？,墨经中写道：“景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下。”这句话的意思是：因为光线像射箭一样，是直线行进的。人体

2、下部挡住直射过来的光线，射过小孔，成影在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在下边，就成倒立的影。这是对光沿直线传播的第一次科学解释。墨经中还利用光的直线传播原理解释了物体和投影的关系。,墨家认为，光被遮挡就产生投影，物体的投影并不会跟随物体一起移动。飞翔的鸟儿，它的影子仿佛也在飞动着。实际上并不然。墨家指出飞鸟遮住了直线前进的光线，形成了影子。一瞬间后，飞鸟移动了位置，原来光线照不到的地方，现在照到了，旧影就消失了，而在新的地方，出现了新的影子。这就是说，鸟在飞翔中，它的影子并不跟着移动，而是新旧投影不断更新。在两千多年前，能这样深入细致的研究光的性质，解释影的动和不动的关系，是

3、非常不容易的。,古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就有相当成就。在我国较为系统的论著可见北宋时期沈括的梦溪笔谈。光学学科的形成是从17世纪开始的。,春秋虎鸟阳燧，现藏于 中国历史博物馆。,宋阳燧镜。宽为9cm，带柄长17cm。阳燧面直径为6.1cm，边缘菱花形内有凤鸟纹。现仍然保留有部分银白光层，仍可以起到聚光作用。,本章主要围绕对光的本性的认识展开。首先介绍牛顿在光学上的贡献和他的微粒说，包括牛顿的研究方法。重点放在对光的波动说和光的波粒二象性的介绍。同时介绍一些常见的，有关波传播的物理效应以及光学的一个突破性进展激光的发明极其应用。,4.1 光的微粒说,一、牛顿对光的色散的研究 早

4、在剑桥大学高年级时，通过三棱镜实验研究太阳光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。牛顿的色散实验为光谱学的研究和发展开辟了道路，被美国物理学世界评为历史上“最美丽的十大物理实验”之一。,牛顿发明反射望远镜,牛顿在光学一书中调调了自己从实验观察出发，进行归纳综合的研究方法，他说：“在自然科学里，应该像数学里一样，在研究困难的事物时总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法。这样的分析方法包括做实验和观察，用归纳法得出普遍结论，并且不使这些结论遭到非议，除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理。”,二、牛顿的微粒说 牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射

5、出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。,微粒说,解释光的反射,无法解释干涉，还出现合速度大于真空光速c的情况,牛顿的微粒说是在什么指导思想下提出来的？基于光的直线传播和他的自然哲学思想，牛顿在研究力学时，他的基本对象是“质点”，研究化学时，他相信“原子说”；加上微粒说简单、直观、方便应用（在几何光学中）。所以站在自然哲学高度，牛顿认为光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然的。,在用微粒说解释光的折射时，他又用了机械论观点。他假定速度为光速的微粒进入介质时，在垂直界面方向受到一个吸引力，获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度与原来的速度相加的结果，合速度的方向向界面的法线

6、靠拢，发生了折射。但是造成了合速度的大小将大于空气中的光速c。可见测量光在介质中的速度大小将是微粒说正确与否的“试金石”。可惜当时没有实验能对此进行判断。,为什么光的微粒说能统治一百多年？一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断微粒素是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。另一方面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社会上的影响，使得微粒说在一百多年内占统治地位。值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光现象（如干涉）纯粹用微粒说无法解释。尤其在他认识到了光的周期性后，促使他将微粒说与以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。,4.2 光的波动说,一、惠更斯的波动说波面：波在传

7、播过程中振动相位相同的点组成的面称为波面。波前：最前面的一个波面称为波前。,惠更斯,惠更斯在笛卡儿、胡克等人的基础上提出了光是振动传播的假说。他认为“光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质（以太）中的传播过程。”他称这种波为以太波。,惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。注意：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。正由于被认为是纵波，所以对“偏振”现象就无法解释了，加上“以太”是否存在还是一个疑问，而且初期的波动说还缺乏数学基础，所以难以与微粒所抗衡。,横波中质元的振动方向与波的传播方向垂直,纵波中质元振动方向与波传播方向平行,惠更斯原理 每一时刻的波前上各点

8、都可看成是新的子波源，从它们发出的各个球形子波在下一时刻的共同包络面就是下一时刻的新波前。,二、光的反射 用惠更斯原理可以解释光的反射,三、光的折射1折射的物理意义 用惠更斯原理不仅可以解释光的折射，而且给出了折射率的明确的物理意义。同图可得到，折射率其中是在真空中的入射角，是介质中的折射角，v是介质中的光速。,2光疏介质与光密介质通常对两种介质而言，光密介质：折射率较大的介质，光速较小。光疏介质：折射率较小的介质，光速较大。真空中，折射率n=1，在真空中的光速c最大。光从介质a以入射角a进入介质b，折射角为b，则,折射率（对黄光）,四、光的全反射全反射：一束光从光密介质进入光疏介质，当入射角

9、大于某临界角时，光将全部反射回来。,应用举例：光纤,光纤照片,会传像的光纤,光纤,4.3 光的干涉、衍射和偏振,一、双缝干涉和薄膜干涉,干涉条件,相同的频率,有稳定的相位差,相同的振动方向,双缝干涉,双缝干涉条纹,用波的叠加原理，可以对干涉条纹作出定量说明 而因为yL，x1+x2，可近似地用2L来代替，于是我们得到“光程差”等于：,托马斯杨,当屏上一点 A 的坐标 y 使得=2n(n=0,1,2)时，两支光波在 A 点“干涉相长”，光强最大，表现为明亮条纹，此时，即 在另一些点上，当其坐标 y 满足关系时，相应之=(2n+1)(n=0,1,2)，表示两支光波在叠加时“干涉相消”，光强为零，产生

10、暗条纹。,（亮条纹）,（暗条纹）,在原点O 处产生亮条纹，其两侧依次产生暗、明相间的条纹，两条相邻的亮条纹（或暗条纹）的间隔等于：2薄膜和劈尖干涉及其应用（1）薄膜干涉：肥皂泡或路面上的油膜所产生的彩色图样，是由于光在薄膜上、下表面反射回来的光发生干涉而形成的。,薄膜干涉,（2）空气劈尖干涉劈尖干涉：光从极小角度的空气劈的上、下两个面反射回来，发生干涉。应用：运用劈形膜的等厚干涉原理，可以检测物体表面的平整度。取一块光学平面的玻璃片，称为平晶，放在待检测工件（玻璃片或者金属磨光面）的表面上方，在平晶与工件表面间形成劈形空气膜，然后用单色光垂直照射，观察干涉条纹。,劈尖干涉,从等厚干涉的特点可知

11、，每一条条纹对应于薄膜中的一条等高线。如果工件表面是非常平整的，那么等厚条纹应该是平行于棱边的一组平行线；如果工件表面不平整（肉眼不一定能看出），则等厚条纹就应该是随着工件表面凹凸的分布而出现的一组形状各异的曲线。,检测精密表面平整度,（3）牛顿环 牛顿环：把一个大曲率凸透镜放在光学平面玻璃片上。当用单色光正入射到透镜平面上时，由于凸透镜与下面平面玻璃片间形成的空气劈的作用，则沿着空气劈厚度增加的方向可观测到同心圆环形的明暗干涉条。牛顿环可用来快速检测透镜的曲率半径及其表面是否合格。,牛顿环,单缝衍射,缝宽时无衍射,二、单缝衍射和单孔衍射 仪器分辨率1单缝衍射 不同于双缝干涉，单缝衍射中央亮条

12、纹特别宽，集中了约90%的光强，近似为原来单缝的像。,单缝衍射图样,2圆孔衍射 衍射图样中第一暗环对小孔中心的张角为，波长一定时，d 越小，越大，即光转弯越厉害。法国科学家菲涅耳从波动观点出发，将叠加原理与惠更斯原理结合起来，严格计算了狭缝圆孔、圆板后面的衍射图样。尤其是在圆板后面屏幕中央有亮斑，当时轰动了法国科学院，一些权威不相信。但最终实验证实了菲涅耳的计算结果，从而使波动说取得了决定性的胜利。,菲涅耳圆孔衍射图样,3仪器分辨率,仪器分辨率,电磁波传播,三、光的偏振1什么是偏振光？电磁波是横波，电场和磁场的振动方向与波的传播方向垂直。,非偏振光：垂直传播方向的振动方向可以在Oxy平面内 是

13、任意的。自然光：在垂直于传播 方向的各方向上，电场强 度振动的强度随时间的平 均值是均匀的。线偏振光：光振动只沿某一固定方向。,自然光,线偏振光,部分偏振光：某一方向的光振动比与之 垂直方向上的光振动占优势。椭圆偏振光：光矢量按一定频率旋转，其矢端轨迹为椭圆的。圆偏振光：光矢量按一定频率旋转，其矢端轨迹为圆的。,部分偏振光,椭圆偏振光,圆偏振光,2如何产生偏振光？（1）用起偏器，使非偏振光变成线偏振光。（2）普通反射光也是部分偏振的。当光在折射率为n的介质内，以=B（布儒斯特角）入射到折射率为n的介质表面时，反射光可达到完全线偏振（光矢量垂直于入射平面）。,3应用举例,让某种偏振光透过镜片,光

14、的偏振的应用（1）在摄影镜头前加上偏振镜消除反光 在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。要通过取景器一边观察一边转动镜面，以便观察消除偏振光的效果。当观察到被摄物体的反光消失时，既可以停止转动镜面。,（2）司机镜 当司机驾车在公路上迎着太阳行驶时，会因路面的反射光而感到晃眼。阳光照射在路面上而反射，入射面垂直于路面，而反射光的光振动以垂直于入射面为主（即以平行于路面为主）。这就是司机镜的原理，它是一种特殊的

15、偏振镜。只要司机戴上它，镜片的偏振化方向取垂直于路面方向，就不会感晃眼睛。,司机镜,（3）摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗 由于蓝天中存在大量的偏振光，所以用偏振镜能够调节天空的亮度，加用偏振镜以后，蓝天变的很暗，突出了蓝天中的白云。偏振镜是灰色的，所以在黑白和彩色摄影中均可以使用。,（4）使用偏振镜看立体电影 在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片。在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果用眼睛直接观看,

16、看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器，从两架放映机射出的光,通过偏振片后，就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振,光方向不改变。观众用上述的偏振眼镜观看,每只眼睛只看到相应的偏振光图像，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体感觉。这就是立体电影的原理。当然，实际放映立体电影是用一个镜头，两套图像交替地印在同一电影胶片上，还需要一套复杂的装置。这里就不涉及了。,立体电影眼镜,一、光电效

17、应和爱因斯坦的“光子”假设光电效应实验的实验结果：1.存在截止频率。2.光照到金属表面光电流立即 产生。3.光的最大动能只与光的频率 有关，与光强无关。,4.4 光的波粒二重性,用经典理论无法解释！,光电效应实验,爱因斯坦把普朗克关于能量量子化的假定推广用来解释“光电效应”。他指出：“按通常的想法，光的能量是连续地分布于光传播所经过的空间，当人们试图解释光电现象时，这种想法遇到了极大的困难”。光的产生和转化的一个启发性观点（1905）为此，他进一步假定光的能量也是量子化的，是由“能量子所组成”，且“每个能量子将它的能量转移给电子，与所有其它的量子关，那么电子的速度分布，将与入射光的强度无关；,

18、但在另一方面，假设其它情况都相同，则离开物体的电子的数目将正比于入射光的强度。”这里的能量子后来被称为光量子或光子。每个光子的能量是与频率 成正比。,二、“光量子”假设遭到冷遇和怀疑（1）光子的概念与人们原来对光的认识相差太大。（2）由光电方程可得 即V0与频率 成正比。但当时的实验还不够精确，此式未得到很好的验证。所以“光量子”假设不被科学界所接受。普朗克认为“他可能在他的思索中失去目标”。当时的科学家还是试图用经典波动理论来解释光电效应实验。,密立根,三、密立根实验 直到1914年，才由美国物理学家密立根全面验证了光电方程的正确性。从V0与 成正比，并从第一次直接从实验中测定了普朗克常数h

19、。,1921年和1923年，爱因斯坦和密立根先后获得诺贝尔物理学奖。很有意思的是，在1923年的领奖演说中，密立根公开承认自己曾长期对爱因斯坦的“光量子”观点和光电方程抱怀疑态度。他在演说中说道：“与我自己预料的相反，这项工作终于在1914年成了爱因斯坦方程在很小实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常数h。”密立根精神：尊重事实，而不是尊重权威不被传统观念束缚有勇气否定自己,四、光的波粒二象性 1909年，爱因斯坦明确地提出了光的波粒二象性，并说这“可以被理解为波动理论和微粒说的一种统一”。他提出两个著名的关系式：将标志波动性的 和 通过h与标志粒子性

20、的E和p联系起来了。光在传播时显示了波动性，在与物质相互作用而转移能量时显示出了粒子性，两者不会同时显示出来。,康普顿散射装置,五、康普顿效应1任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。1923年美国物理学家康普顿证明了X射线的粒子性，是继光电效应后证明光的粒子性的又一个独立的关键性实验。2X射线源发射一束波长为的X射线，经一块石墨发生散射，散射光穿过光 阑，其波长和强度可 以由晶体和探测器所 组成的光谱仪来测定。,3康普顿接受爱因斯坦的观点，认为X射线的光子好比一个个小刚球，每一个不但有能量E=h，而且具有动量p=h/(=c)。,康普顿实验比光电效应更进一步证实了电磁辐射的“

21、粒子性”，因为在解释光电效应实验时，只涉及到了光子的能量。而在解释康普顿效应时，不仅考虑了光子的能量，还考虑了光子的动量。所以康普顿散射实验为爱因斯坦的光量子假设提供了更完全的依据，在这以后，怀疑“光量子”说的人就非常少了。康普顿因此获得1927年的诺贝尔物理学奖。,康普顿,4.5 多普勒效应,一、声波的多普勒效应多普勒效应：声源与观察者有相对运动时，观察者所接收到的表观频率发生变化。两种情况：1声源静止，观察者动，速度为vob 当观察者向着声源运动时，取vob0 当观察者背离声源运动时，取vob0 表观频率为,2观察者静止，声源运动，速度为vs 当声源向着观察者运动时，取vs 0 当声源背离

22、观察者运动时，取vs 0 表观频率为3如两者一起运动，表观频率,多普勒效应,4光学多普勒效应 改写为频率的改变量：在同样近似程度内，有或两式统一为,请注意：以上只是观察者与光源的相对运动在它们的连线上的情况，称为纵向多普勒效应。第八章将介绍横向多普勒效应。应用举例：雷达测速仪（测云层、飞机、汽车等的速度）,雷达测速,例1 设地面固定雷达站发出频率为 的雷达波，当波遇见飞行物（以速度v迎面而来）被反射回来后，又被雷达站所接受时，其频率改变为，求其频率。解 雷达波被（靠近的）飞行物反射可以视为先被飞行物接收，继而由飞行物再发射的两步过程。第一步：飞行物接收到的雷达波的表观频率为 第二步：飞行物将频

23、率为 的波再发射（实际是反射）出来，被雷达站接收时，其频率又从 升高到表观频率,于是总的频率增量等于：例2 气象上已广泛使用气象雷达，它常用的工作频率是=2.7GHz，今若有一朵雨云以速度v=28m/s向气象站飞来，问雷达测到的频率为多少？解可见测量精度已达到，这样才保证今天的气象预报有很高的准确性。,4.6 玻尔公式 光的共振吸收激光原理,一、两能级原子与光的相互作用1自发辐射和受激（共振）辐射 为了解释原子与光谱是线光谱的事实，玻尔假定一个原子只能处于若干不连续的分立的能量状态，称为定态。2原子退激所放光子能量或共振吸收的光子能量为这就是玻尔公式。,二能级系统,二、爱因斯坦关于受激辐射的预

24、言和激光的发明11917年，爱因斯坦为了导出普朗克黑体辐射公式，首先预言了“受激辐射”过程。诱发光子的能量,吸收前,吸收后,受激辐射前,受激辐射,受激吸收过程,受激辐射过程,2受激辐射光的特征 所放出的两个光子有同样的频率，同样的偏振方向和同样的相位。显然是实现了光的放大，有很好的应用前景。,3 获得激光的必要条件 粒子数反转：使上能级E2的原子数大大超过下能级E1原子数。激光的英文名字是Laser（镭射），也就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写。激光的意思是光受激辐射放大。这个简练又准确的名字是钱学森提出的。

25、4 氦氖激光器的物理过程 产生激光的工作介质，为实现粒子数反转所提供的激励源，实现光放大的谐振腔。,三、激光冷却、玻色-爱因斯坦凝聚 20世纪30年代，爱因斯坦曾提出一个著名的预见，当温度降低到原子的波长约等于原子的间距时，会有一个很特殊的情况发生：许多原子的行为开始变得一致，这意味着它们的相位、速度和任何状态都一模一样。这被称为玻色-爱因斯坦凝聚。,为什么？,这正是量子力学告诉我们的秘密,在温度很低而密度很高的状态下，许多原子的行为将开始变得一致,x,y,用眼睛对着激光看，会被灼伤视网膜；激光还能切割、焊接金属。然而，激光也可以把原子冷却到非常低的温度！,激光可以用来加热，你同意吗？,如何理

26、解激光冷却？所谓激光冷却，就是在激光作用下使原子的速度降低。激光冷却与捕陷原子 获得低温是长期以来科学家所刻意追求的一种技术。它不但给人类带来实惠，例如超导的发现与研究，而且为研究物质的结构与性质创造了独特的条件。例如在低温下，分子、原子热运动的影响可以大大减弱，原子更容易暴露出它们的“本性”。以往低温多在固体或液体系统中实现，这些系统都包含着有较强的相互作用的大量粒子。20世纪80年代，借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温（例如，10-10K）状态，这种获得低温的方法就叫激光冷却。,实际上，原子的运动是三维的。1985年贝尔实验室的朱棣文小组就用三对方向相反的激光束分别沿x，y，z三个方

27、向照射钠原子，在6束激光交汇处的钠原子团就被冷却下来，温度达到了240mK。理论指出，多普勒冷却有一定限度（原因是入射光的谱线有一定的自然宽度），例如，利用波长为589nm的黄光冷却钠原子的极限为240mK，利用波长为852nm的红外光冷却铯原子的极限为124mK。但研究者们进一步采取了其他方法使原子达到更低的温度。1995年达诺基小组把铯原子冷却到了2.8nK的低温，朱棣文等利用钠原子喷泉方法曾捕集到温度仅为24pK的一群钠原子。,在朱棣文的三维激光冷却实验装置中，在三束激光交汇处，由于原子不断吸收和随机发射光子，这样发射的光子又可能被邻近的其他原子吸收，原子和光子互相交换动量而形成了一种原

28、子光子相互纠缠在一起的实体，低速的原子在其中无规则移动而无法逃脱。朱棣文把这种实体叫做“光学粘团”，这是一种捕获原子使之集聚的方法。更有效的方法是利用“原子阱”，这是利用电磁场形成的一种“势能坑”，原子可以被收集在坑内存起来。一种原子阱叫“磁阱”，它利用两个平行的电流方向相反的线圈构成。这种阱中心的磁场为零，向四周磁场,不断增强。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心时势能最低，偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而返回。这种阱曾捕获1012个原子，捕陷时间长达12min。除了磁阱外，还有利用对射激光束形成的“光阱”和把磁阱、光阱结合起来的磁-光阱。激光冷却和原子捕陷的研究在科学上有很重要的意义。例如

29、，由于原子的热运动几乎已消除，所以得到宽度近乎极限的光谱线，从而大大提高了光谱分析的精度，也可以大大提高原子钟的精度。最使物理学家感兴趣的是它使人们观察到了“真正的”玻色-爱因斯坦凝聚。,这种凝聚是玻色和爱因斯坦分别于1924年预言的，但长期未被观察到。这是一种宏观量子现象，指的是宏观数目的粒子（玻色子）处于同一个量子基态。它实现的条件是粒子的德布罗意波长大于粒子的间距。在被激光冷却的极低温度下，原子的动量很小，因而德布罗意波长较大。同时，在原子阱内又可捕获足够多的原子，它们的相互作用很弱而间距较小，因而可能达到凝聚的条件。1995年果真观察到了2000个铷原子在170nK温度下和5105个钠原子在2mK 温度下的玻色-爱因斯坦凝聚。,朱棣文，美籍物理学家,激光冷却饵原子（激光束从左至右）,4.7 激波和切仑可夫辐射,1激波：每一瞬时发出的一系列球形子波，其包括面便形成圆锥面。2声波改为广播会怎么样？1934年俄罗斯科学家切仑可夫预言说：在介质中光速将变慢（c/n），所以完全有可能在介质 中一个带电粒子的飞行速度超过，这时也会产生“电磁激波”，称为切仑可夫辐射。例如浸有核燃料的水池中的水会呈现美丽的蓝色。,协和式超音速飞机,