物理補充市公開課一等獎省名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎?wù)n件

五.斜入射光柵方程、相控陣?yán)走_如圖所表示，斜入射時，相鄰兩縫光束在入射前已經(jīng)有光程差，衍射后又有光程差，總光程差斜入射光柵方程(明紋)入射角i和衍射角符號要求：均以逆時針為正。λdsin光柵觀察屏LoPfidsini由斜入射光柵方程知：k確定時，調(diào)整i，則對應(yīng)改變。比如，令k=0(零級),則相鄰兩束光入射前相差為上式表明:改變即可改變?nèi)肷浣莍，此結(jié)論就是“相控陣?yán)走_”掃描基本原理。微波源移相器輻射單元dn靶目標(biāo)一維陣列相控陣?yán)走_用電子學(xué)方法周期性地連續(xù)改變相鄰輻射單元相差，則0級主極大衍射角，也連續(xù)改變，從而實現(xiàn)掃描——相位控制掃描.（也能夠固定入射角i，而連續(xù)改變來改變-----頻（率）控（制）掃描）.靶目標(biāo)反射回波也可經(jīng)過一樣天線陣列接收:改變就能接收來自不一樣方位波束。然后用計算機處理，提供靶目標(biāo)各種信息——大小，速度，方位相控陣?yán)走_優(yōu)點：1.無機械慣性，可高速掃描，一次全程掃描僅需幾微秒。2.由計算機控制可形成各種波束，同時搜索、跟蹤多個目標(biāo)。3.不轉(zhuǎn)動、天線孔徑可做得很大，從而有效地提升輻射功率、作用距離、分辨率（下節(jié)講）…實際相控陣?yán)走_是由多個輻射單元組成平面陣列，以擴展掃描范圍和提升雷達束強度。(補圖)二、電光效應(yīng)電光效應(yīng)也叫電致雙折射效應(yīng)。1.克爾效應(yīng)（kerreffect)將克爾盒取代晶片位置,加電場方向即光軸方向.l+-4545P1P2克爾盒d克爾盒內(nèi)充某種液體(如硝基苯)，

加電場→液體各向異性（因為分子定向排列緣故，呈單軸晶體性質(zhì)）光軸∥通光；

不加電場→液體恢復(fù)各向同性→P2不通光（）。有E—電場強度，k—克爾常數(shù)對硝基苯(C6H5NO2)經(jīng)過克爾盒兩束光位相差為它正比于U2,所以也稱為二次電光效應(yīng).應(yīng)用:可作光開關(guān)（克爾盒響應(yīng)時間極短，每秒能夠動作109次）和光調(diào)制器。用于高速攝影、光測距、激光通訊克爾盒有很多缺點：硝基苯有毒，易爆炸，需極高純度和高電壓，故現(xiàn)在極少用。2.泡克爾斯效應(yīng)(pockelseffect)圖示為縱向裝置（光傳輸方向與電場平行）用KDP晶體(磷酸二氫鉀)取代克爾盒。電極K，K’透明。電光晶體+。。-P1P2KK泡克爾斯盒··原來該晶體是單軸晶體，使光軸沿光傳輸方向，當(dāng)然沒有雙折射現(xiàn)象，沒有光透過P2;加電場→晶體變雙軸晶體→沿原來光軸方向產(chǎn)生了附加了雙折射效應(yīng)。有光透過P2。-----稱為一次電光效應(yīng)泡克爾斯盒響應(yīng)時間也極短，普通小于10-9秒，也用作光開關(guān)和光調(diào)制器，近年來還用于數(shù)據(jù)處理，顯示技術(shù)。光軸平行磁場，且這種效應(yīng)很弱，需要很強磁場才能觀察到。三、磁致雙折射（補充）類似于電場克爾效應(yīng)，一些透明液體在磁場H作用下變?yōu)楦飨虍愋?，性質(zhì)類似于單軸晶體?！涡?yīng)?！?.8旋光現(xiàn)象（補充）一、物質(zhì)旋光性：18試驗物理學(xué)家阿喇果發(fā)覺，線偏振光經(jīng)過一些透明物質(zhì)時，其偏振面將旋轉(zhuǎn)一定角度。d偏振片2偏振化方向

單色自然光偏振片1偏振化方向光軸方向P2P’2石英晶片(不產(chǎn)生雙折射)（原消光）（現(xiàn)消光）這種能使線偏振光振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)性質(zhì)，稱為旋光性。

a—旋光率

a

取決于入射光波長和旋光物質(zhì)。

旋光物質(zhì)d含有旋光性物質(zhì)：如石英、糖水溶液、酒石酸溶液、松節(jié)油等。迎著光看，振動面順時針轉(zhuǎn)為右旋物質(zhì)，振動面逆時針轉(zhuǎn)為左旋物質(zhì)。二、菲涅耳解釋：線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定相位差左(L)、右(R)旋圓偏振光合成。設(shè):入射時L，R初相為0，旋光物質(zhì)長d.即EELER·o比如，石英晶體有左旋,右旋兩類旋光體,是因為它分子空間排列方式有兩類。在出射面上它們位相，分別比入射面處位相落后，由圖示，有：看旋轉(zhuǎn)矢量圖:(a)(b)dELERE(a)(b)ELERERL同一時刻令——旋光率所以由上式看出，時，，即振動面向左旋（對著光看）。三、量糖術(shù)對溶液據(jù)此可制成“量糖計”，并發(fā)展為“量糖術(shù)”。其它應(yīng)用：分析化工產(chǎn)品、藥劑中左、右旋光異構(gòu)體成份，…一些液體或溶液有左旋或右旋,是因為其分子本身含有螺旋狀結(jié)構(gòu)引發(fā)。式中四、磁致旋光（補充）利用人工方法也可產(chǎn)生旋光性，其中最主要是磁致旋光，也稱為法拉第旋轉(zhuǎn)，是法拉第1846年發(fā)覺。水、二硫化碳、食鹽、乙醇等是磁致旋光物質(zhì)。V：費德爾常量磁致旋光效應(yīng)也能用于光通訊:若磁場B是由信號電流i產(chǎn)生(或調(diào)制),信號電流i改變磁場B改變,旋轉(zhuǎn)角改變,P2經(jīng)過光強也改變.

-------這就是光通訊原理.d磁致旋光物質(zhì)B對自然旋光物質(zhì)，振動面左旋或右旋是由旋光物質(zhì)本身決定，與光傳輸方向無關(guān)：反射鏡入射光左旋反射鏡反射光左旋對磁致旋光物質(zhì)，因加了一定方向磁場，光沿逆向傳輸，振動面旋向相反,能夠作成光隔離器。反射鏡反射光右旋B反射鏡入射光左旋B光隔離器消除反射光干擾····BPM磁致旋光物質(zhì)

液晶是介于液態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間一個物質(zhì)狀態(tài)。將某種液晶注入小玻璃盒中，在玻璃表面涂上二氧化錫等透明導(dǎo)電薄膜，玻璃就成為透明電極。電控雙折射現(xiàn)象液晶也有電光效應(yīng)：把液晶盒放在兩正交偏振片之間，加電場可由不透光變?yōu)橥腹?。動態(tài)散射現(xiàn)象注入某種液晶液晶盒，在未加電場時是透明。----用于液晶數(shù)字顯示技術(shù)。加電場時，因盒內(nèi)離子和液晶分子在電場作用下相互碰撞，使液晶分子產(chǎn)生紊亂運動，液晶盒變?yōu)椴煌该鳌?．斯特藩—玻耳茲曼定律（試驗定律）其中常量

=5.67×10-8W/m2K4

4．維恩位移定律（試驗定律）黑體輻射光譜中輻射最強波長與黑體溫度T

之間滿足反比關(guān)系其中常量

b=2.89×10-3m·K總輻出度M(T)與黑體溫度四次方成正比現(xiàn)在知道，一切微觀粒子都有自旋,按自旋分類：（1）費米子：自旋為半整數(shù)，如S=1/2,3/2如電子，中子，質(zhì)子，中微子，服從泡利不相容原理。（2）玻色子：自旋為整數(shù)，如s=0，1----不服從泡利不相容原理。光子，介子等。堿金屬原子光譜雙線堿金屬原子發(fā)光是由其價電子能量狀態(tài)改變引發(fā)。原子實-e堿金屬原子結(jié)構(gòu)與氫原子有類似之處。1.堿金屬原子中電子能級特點電子能級與n、相關(guān)，即

E=Enl例，n=2,=0,1,分裂為兩條。

n=3,=0,1,2,分裂為三條。價電子能級均比含有相同n值氫原子能級低，而且越小、能級越低。En(eV)0E20E21E30E31E32(-5.39)(-3.54)(-2.02)(-1.56)(-1.513)鋰原子能級(即其n=2價電子能級)(-0.85)(-1.51)(-3.40)(-13.6)En(eV)E1E2E4E3氫原子能級(即其電子能級)0能級特點定性解釋：(1)電子貫通原子實(2)原子實極化2.堿金屬原子光譜雙線定性解釋-e+Ze-e-(Z-1)eD15896D25890E31E30Na原子(價電子)能級Na5893?譜線實際上是由雙線組成D1:5895.930?D2:5889.963?自旋磁矩在外磁場中磁能為Na價電子有自旋，對應(yīng)有自旋磁矩，它在外磁場中受到力矩作用，要轉(zhuǎn)向方向。從能量角度來看，要轉(zhuǎn)向能量小方向。-e磁場是電子本身軌道運動產(chǎn)生。i價電子在原子實電場中運動，外磁場是什么能夠證實（略）：

考慮了自旋-軌道耦合能后，E30不分裂，于是就有了雙線。所以上面磁能稱為自旋-軌道耦合能。E31分裂為兩條，D15896D25890E31E3019德國物理學(xué)家勞厄成功地取得了x射線晶體衍射圖樣。

(獲19諾貝爾物理獎)。

x射線是一個高能光子……穿透性很強。……用普通光柵觀察不到衍射現(xiàn)象。

x射線是波長很短電磁波（0．1?～

100?）x射線二.X射線譜與其產(chǎn)生機制X射線管抽成真空（10-6~10-8mmHg），陰極K-----是加熱,發(fā)射電子用;陽極A-----普通為鎢、鉬、鉑等重金屬。利用晶體衍射布喇格公式測定波長;按照統(tǒng)計底片上黑度測定強度。在兩極間加上幾萬伏高電壓，電子就在強電場作用下飛向陽極,在陽極A上產(chǎn)生x射線。試驗曲線如圖所表示

x射線譜普通由兩部分組成：(l)連續(xù)譜高速電子抵達陽極后與陽極中原子相撞，速度降下來，電子有了加速度而輻射電磁波。

這種輻射稱為韌致輻射。因為大量電子有各種大小加速度，所以韌致輻射x射線含有連續(xù)譜特征。連續(xù)譜形狀應(yīng)與陽極材料無關(guān)。試驗表明確實如此。(2)特征譜當(dāng)加速電壓比較高時，在x射線連續(xù)譜“山丘”上會出現(xiàn)一些“尖塔”。人指紋可作為某人特征，……這些尖塔能夠作為某種元素“指紋”。尖塔位置與陽極靶材料相關(guān),故稱為特征譜。特征譜產(chǎn)生機制能量比“空位”能量高電子就會躍遷下來到這空位，同時放出電磁波,波長當(dāng)然與此原子特征相關(guān)，此即特征譜。因為原子內(nèi)層電子能級差值較大，放出光子頻率較大，波長就較短，屬于x射線波段。

高速粒子將能量給了靶原子內(nèi)層電子，使內(nèi)層電子躍遷到能量較高最外層或完全脫離原子(稱為電離)，內(nèi)層留下了“空位”?？瘴辉贚層，躍遷就產(chǎn)生特征譜線L，L，L…-e-eLKMNO+ZeKKKLL空位在K層,

躍遷就產(chǎn)生特征譜線K，K，K…激光閾值條件二.考慮激光在兩端反射鏡處損耗

I0

激光從左反射鏡出發(fā)時光強。

I1

經(jīng)過工作物質(zhì)后，被右反射鏡反射出發(fā)時光強。

I0輸出全反射鏡部分反射鏡I1LI2

再經(jīng)過工作物質(zhì)，并被左反射鏡反射出發(fā)時光強。I2R1、R2

左、右兩端反射鏡反射率.顯然有I

1=R

2I

0eGLI

2=R1I

1eGL

=R1

R

2

I

0e2GLI

2=R

1I

1eGL

所以I0輸出全反射鏡部分反射鏡I1LI2得在激光形成階段即R1

R2e2GL>1或須I2/I0>1式中Gm——稱為閾值增益，即產(chǎn)生激光最小增益。

在激光穩(wěn)定階段即光強增大到一定程度后須I2/I0=1在激光形成階段G>Gm,光放大，怎麼光強不會無限放大下去？在激光穩(wěn)定階段怎么又會G=Gm?原因是實際增益系數(shù)G不是常量,當(dāng)I時，會G。這是因為光強增大伴伴隨粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度減弱。（負(fù)反饋）當(dāng)光強增大到一定程度，G下降到Ｇm時，增益=損耗，激光就到達穩(wěn)定了。通常稱-----為閾值條件(thresholdcondition)一.布洛赫定理一個在周期場中運動電子波函數(shù)應(yīng)含有哪些基本特點？在量子力學(xué)建立以后，布洛赫（F.Bloch）和布里淵（Brillouin）等人就致力于研究周期場中電子運動問題。他們工作為晶體中電子能帶理論奠定了基礎(chǔ)。布洛赫定理指出了在周期場中運動電子波函數(shù)特點。布洛赫定理k空間在一維情形下，周期場中運動電子能量E(k)和波函數(shù)必須滿足定態(tài)薛定諤方程

k-------表示電子狀態(tài)角波數(shù)V(x)----周期性勢能函數(shù)，它滿足

V(x)=V(x+na)a----晶格常數(shù)n-----任意整數(shù)布洛赫定理：式中也是以a為周期周期函數(shù)，即*

注*：關(guān)于布洛赫定理證實，有興趣讀者能夠查閱《固體物理學(xué)》黃昆原著韓汝琦改編（1988）P154含有(2)式形式波函數(shù)稱為布洛赫波函數(shù),或布洛赫函數(shù)。滿足（1）式定態(tài)波函數(shù)必定含有以下特殊形式布洛赫定理說明了一個在周期場中運動電子波函數(shù)為：一個自由電子波函數(shù)與一個含有晶體結(jié)構(gòu)周期性函數(shù)乘積。

只有在等于常數(shù)時，在周期場中運動電子波函數(shù)才完全變?yōu)樽杂呻娮硬ê瘮?shù)。

這在物理上反應(yīng)了晶體中電子現(xiàn)有共有化傾向，又有受到周期地排列離子束縛特點。

所以，布洛赫函數(shù)是比自由電子波函數(shù)更靠近實際情況波函數(shù)。它是按照晶格周期a調(diào)幅行波。E2E3E5E4E6E7E10E圖6E~k曲線表示圖式兩個相鄰能帶之間能量區(qū)域稱為禁帶。晶體中電子能量只能取能帶中數(shù)值，而不能取禁帶中數(shù)值。圖中為“許可能量”，稱為能帶*。E2E3E5E4E6E7E10E圖6E~k曲線表示圖式E~k曲線與a相關(guān)、與U0b乘積相關(guān)。乘積U0b反應(yīng)了勢壘強弱。因為原子內(nèi)層電子受到原子核束縛較大，與外層電子相比，它們勢壘強度較大。計算表明：U0b數(shù)值越大所得到能帶越窄。所以，內(nèi)層電子能帶較窄。外層電子能帶較寬。從E~k曲線還能夠看出：k值越大，對應(yīng)能帶越寬。因為晶體點陣常數(shù)a越小，對應(yīng)于k值越大。所以，晶體點陣常數(shù)a越小，能帶寬度就越大。有能帶甚至可能出現(xiàn)重合現(xiàn)象。這些都與§8.1節(jié)“概述”中介紹結(jié)論是一致。E2E3E5E4E6E7E10E圖6E~k曲線表示圖式所以，晶體中電子能帶中有N個能級。電子在晶體中按能級是怎樣排布呢？電子是費密子，它排布標(biāo)準(zhǔn)有以下兩條：（1）服從泡里不相容原理（2）服從能量最小原理而在空間每個狀態(tài)點所占有長度為，所以，每一能帶中所包含（狀態(tài)數(shù)）能級數(shù)為每個能帶所對應(yīng)k取值范圍都是。對于孤立原子一個能級Enl按照泡里不相容原理，最多能容納2（2l+1）個電子。在形成固體后，這一能級分裂成由N

條能級組成能帶了，它最多能容納電子數(shù)為2N(2l+1)個。比如，對孤立原子1S、2S能級,在形成固體后對應(yīng)地成為兩個能帶。它們最多能容納電子數(shù)為2N個。對孤立原子2P、3P能級,在形成固體后也對應(yīng)地成為兩個能帶。它們最多能容納電子數(shù)為6N個。電子排布時還得按照能量最小原理從最低能級排起。孤立原子最外層電子能級可能填滿了電子也可能未填滿了電子。若原來填滿電子，在形成固體時，其對應(yīng)能帶也填滿了電子。若孤立原子中較高電子能級上沒有電子，在形成固體時，其對應(yīng)能帶上也沒有電子。若原來未填滿電子，在形成固體時，其對應(yīng)能帶也未填滿電子。孤立原子內(nèi)層電子能級普通都是填滿，在形成固體時，其對應(yīng)能帶也填滿了電子。排滿電子能帶稱為滿帶；排了電子但未排滿稱為未滿帶（或?qū)В?；未排電子稱為空帶；（有時也稱為導(dǎo)帶）；兩個能帶之間禁帶是不能排電子。

半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路工程中起著極主要作用。其關(guān)鍵部分是

p型GaAs和n型GaAs組成P-N結(jié)（經(jīng)過摻雜賠償工藝制得）。下面是最簡單GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，

經(jīng)典尺寸：

長L=250～500m寬ｗ=5～10m厚d=0.1～0.2m它激勵能源是外加電壓(電泵)．在正向偏壓下工作。解理面P-N結(jié)P-N結(jié)有大量載流子躍遷到較高能量能級上。當(dāng)正向電壓大到一定程度時，在一些特定能級之間造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，形成電子與空穴復(fù)合發(fā)光。P-Ｎ結(jié)本身就形成一個光學(xué)諧振腔，它兩個端面就相當(dāng)于兩個反射鏡，形成激光振蕩。適當(dāng)鍍膜后可到達所要求很高反射系數(shù)，并利于選頻。．由自發(fā)輻射引發(fā)受激輻射。.解理面P-N結(jié)P-N結(jié)核力核模型核磁共振宇稱弱相互作用宇稱不守恒夸克模型核放射性內(nèi)容§9.1核力核模型核磁共振一.核力原子核內(nèi)核子之間凝聚力稱為核力。核力比核力是短程力;電磁力更強;核力與電荷無關(guān)。二.核模型“費米氣體模型”“液滴模型”“集體運動模型”，三.核磁共振

原子核內(nèi)核子能量也是量子化，故原子核有核能級。原子核內(nèi)質(zhì)子與中子現(xiàn)有軌道運動也有自旋運動。一個原子核全部質(zhì)子,中子軌道角動量與自旋角動量之矢量和,就是原子核角動量.正象原子有磁矩一樣，原子核也有核磁矩。正象原子磁矩在外磁場中取向是空間量子化，原子核磁矩在外磁場中取向也是空間量子化。正象原子磁矩在外磁場中有附加磁能一樣,原子核磁矩在外磁場中也有附加磁能。原來一個原子核能級在外磁場中就分裂成若干個差異極小核能級……稱為核能級“精細(xì)結(jié)構(gòu)”。若用能夠調(diào)頻電磁波照射，原子核將吸收一些特定頻率電磁波能量。原子核狀態(tài)在這些核能級之間躍遷，這稱為“核共振吸收”現(xiàn)象?！?.2原子核放射性已經(jīng)發(fā)覺原子核有兩千各種，穩(wěn)定只有二百各種，其余都是會自發(fā)衰變原于核。衰變……原子核自發(fā)放射粒子現(xiàn)象稱為衰變。

粒子就是氦原子核。最常見核衰變有三種：粒子從原子核中放射出來是一個隧道效應(yīng)。-衰變……原子核自發(fā)放射-粒子現(xiàn)象稱為-衰變。-

粒子就是電子。原子核中并沒有電子?電子是原子核中中子衰變成質(zhì)子時放出來實際上放出不止是電子，還放出一個被稱為反電子中微子非常小粒子。它不帶電靜質(zhì)量幾乎為零穿透性極強泡里-----1930年-----1956年

衰變……原子核自發(fā)輻射射線現(xiàn)象稱為衰變。原子核從高能級向低能級躍遷時，便發(fā)出射線，原子核并沒有變成別核。射線是高能光子束。波長比x射線還短。核衰變是一個量子躍遷過程，它服從量子力學(xué)統(tǒng)計規(guī)律。設(shè)t時原子核數(shù)目為N,dt時間內(nèi)發(fā)生核衰變數(shù)目為-dN,有得這說明放射性衰變服從指數(shù)規(guī)律。稱為衰變常數(shù)，它代表一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變概率。我們能夠依據(jù)測量來判斷它是哪一個放射性原子核。半衰期-----放射性原子核衰變其原有原子核數(shù)二分之一所需時間。單位是居里能夠證實它與放射性原子核種類相關(guān)。放射性強度----單位時間內(nèi)發(fā)生衰變原子核數(shù)為該物質(zhì)放射性強度。1居里（Ci）=3.71010次核衰變/秒物理規(guī)律空間反演不變性=物理規(guī)律鏡象變換不變性．§9．3宇稱弱相互作用宇稱不守恒空間反演+繞x’軸旋轉(zhuǎn)=鏡象變換因為物理規(guī)律含有空間轉(zhuǎn)動不變性，二.宇稱與宇稱守恒對于空間反演操作，人們引入反演算符(也稱為宇稱算符)定義：若將反演算符作用到定態(tài)波函數(shù)上去，也就是說，波函數(shù)與空間反演后波函數(shù)是描述同一物理狀態(tài)波函數(shù)，按概率波意義，它們只相差一個常數(shù)倍：下面來求其本征值p:【解】對上式進行一次空間反演操作即所以得對p=+1，……稱波函數(shù)有偶宇稱（是偶函數(shù)）對p=-1，……稱波函數(shù)有奇宇稱（是奇函數(shù)）P=+1P=-1宇稱是量子力學(xué)中一個物理量。在量子力學(xué)中,按狀態(tài)波函數(shù)空間反演(或鏡象變換)后波函數(shù)不一樣，分為兩種情況:一個是有偶宇稱一個是有奇宇稱比如.質(zhì)子,中子p=1,含有偶宇稱。反質(zhì)子,反中子,介子,光子p=-1,

含有奇宇稱。以上說明：因為空間反演不變性（或鏡象變換不變性），有微觀粒子含有偶宇稱，有微觀粒子含有奇宇稱。長久以來,人們一直認(rèn)為物理規(guī)律總有:空間反演不變性(即鏡象變換不變性)

宇稱守恒定律:物理規(guī)律空間反演不變性------宇稱守恒定律一個孤立系統(tǒng),不論經(jīng)歷怎樣過程，它宇稱是不變。(?)(?)宇稱在弱相互作用過程中不守恒，

+和+是同種粒子。它在某種衰變后能夠含有偶宇稱,在另一個衰變后也能夠含有奇宇稱。三.-之謎與李-楊大膽假設(shè)三.-之謎與李-楊大膽假設(shè)1.“-之謎”試驗上早就發(fā)覺，屬于弱相互作用+,+兩種介子各種性質(zhì)(如質(zhì)量,電荷,自旋----)都相同，不過衰變方式不一樣：…右邊總系統(tǒng)含有奇宇稱，按宇稱守恒定律,左邊+是奇宇稱。…右邊總系統(tǒng)含有偶宇稱，按宇稱守恒定律,左邊+是偶宇稱。至今認(rèn)為自然界中只存在萬有引力、弱力、電磁力、強力

四種基本力，全部力都是這四種基本自然力不一樣表現(xiàn)。

按照這四種相互作用力強弱排個隊：設(shè)強作用為1則電磁作用為10-2

弱作用為10-13

萬有引力作用為10