光的本性是什么

光的本性是什么第一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日人類對(duì)光學(xué)的研究早在兩三千年前就初見端倪?！赌?jīng)》中的光學(xué)在《墨經(jīng)》中還記載了豐富的幾何光學(xué)知識(shí)。墨子在當(dāng)時(shí)就已知道光是沿直線傳播的。墨子和他的學(xué)生做了世界上最早的“小孔成像”實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出了精辟的見解。在一間黑暗的小屋朝陽(yáng)的墻上開一個(gè)小孔，人對(duì)著小孔站在屋外，屋里相對(duì)的墻上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)倒立的人影。為什么會(huì)這樣呢？第二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日《墨經(jīng)》中寫道：

“景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下?！边@句話的意思是：因?yàn)楣饩€像射箭一樣，是直線行進(jìn)的。人體下部擋住直射過來(lái)的光線，射過小孔，成影在上邊；人體上部擋住直射過來(lái)的光線，穿過小孔，成影在下邊，就成倒立的影。這是對(duì)光沿直線傳播的第一次科學(xué)解釋。

《墨經(jīng)》中還利用光的直線傳播原理解釋了物體和投影的關(guān)系。

第三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日墨家認(rèn)為，光被遮擋就產(chǎn)生投影，物體的投影并不會(huì)跟隨物體一起移動(dòng)。飛翔的鳥兒，它的影子仿佛也在飛動(dòng)著。實(shí)際上并不然。墨家指出飛鳥遮住了直線前進(jìn)的光線，形成了影子。一瞬間后，飛鳥移動(dòng)了位置，原來(lái)光線照不到的地方，現(xiàn)在照到了，舊影就消失了，而在新的地方，出現(xiàn)了新的影子。這就是說(shuō)，鳥在飛翔中，它的影子并不跟著移動(dòng)，而是新舊投影不斷更新。在兩千多年前，能這樣深入細(xì)致的研究光的性質(zhì)，解釋影的動(dòng)和不動(dòng)的關(guān)系，是非常不容易的。第四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

古希臘和我國(guó)春秋時(shí)期在光學(xué)現(xiàn)象的觀察和研究就有相當(dāng)成就。在我國(guó)較為系統(tǒng)的論著可見北宋時(shí)期沈括的《夢(mèng)溪筆談》。光學(xué)學(xué)科的形成是從17世紀(jì)開始的。

春秋虎鳥陽(yáng)燧，現(xiàn)藏于中國(guó)歷史博物館。

宋陽(yáng)燧鏡。寬為9cm，帶柄長(zhǎng)17cm。陽(yáng)燧面直徑為6.1cm，邊緣菱花形內(nèi)有鳳鳥紋?，F(xiàn)仍然保留有部分銀白光層，仍可以起到聚光作用。第五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

本章主要圍繞對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)展開。首先介紹牛頓在光學(xué)上的貢獻(xiàn)和他的微粒說(shuō)，包括牛頓的研究方法。重點(diǎn)放在對(duì)光的波動(dòng)說(shuō)和光的波粒二象性的介紹。同時(shí)介紹一些常見的，有關(guān)波傳播的物理效應(yīng)以及光學(xué)的一個(gè)突破性進(jìn)展——激光的發(fā)明極其應(yīng)用。第六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日§4.1光的微粒說(shuō)一、牛頓對(duì)光的色散的研究早在劍橋大學(xué)高年級(jí)時(shí)，通過三棱鏡實(shí)驗(yàn)研究太陽(yáng)光的色散現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)到不同顏色（波長(zhǎng)）的光有不同的折射率。牛頓的色散實(shí)驗(yàn)為光譜學(xué)的研究和發(fā)展開辟了道路，被美國(guó)《物理學(xué)世界》評(píng)為歷史上“最美麗的十大物理實(shí)驗(yàn)”之一。牛頓發(fā)明反射望遠(yuǎn)鏡第七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

牛頓在《光學(xué)》一書中調(diào)調(diào)了自己從實(shí)驗(yàn)觀察出發(fā)，進(jìn)行歸納綜合的研究方法，他說(shuō)：“在自然科學(xué)里，應(yīng)該像數(shù)學(xué)里一樣，在研究困難的事物時(shí)總是應(yīng)當(dāng)先用分析的方法，然后才用綜合的方法。這樣的分析方法包括做實(shí)驗(yàn)和觀察，用歸納法得出普遍結(jié)論，并且不使這些結(jié)論遭到非議，除非這些異議來(lái)自實(shí)驗(yàn)或者其他可靠的真理?！钡诎隧?yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日二、牛頓的微粒說(shuō)牛頓認(rèn)為：光是發(fā)光體所射出的一群微小粒子，它們一個(gè)接著一個(gè)地迅速發(fā)射出來(lái)，以直線進(jìn)行，人們感覺不到相繼兩個(gè)之間的時(shí)間間隔。微粒說(shuō)解釋光的反射無(wú)法解釋干涉，還出現(xiàn)合速度大于真空光速c的情況第九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日牛頓的微粒說(shuō)是在什么指導(dǎo)思想下提出來(lái)的？基于光的直線傳播和他的自然哲學(xué)思想，牛頓在研究力學(xué)時(shí)，他的基本對(duì)象是“質(zhì)點(diǎn)”，研究化學(xué)時(shí)，他相信“原子說(shuō)”；加上微粒說(shuō)簡(jiǎn)單、直觀、方便應(yīng)用（在幾何光學(xué)中）。所以站在自然哲學(xué)高度，牛頓認(rèn)為光也是一種粒子，使物質(zhì)世界有統(tǒng)一性，也是很自然的。第十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

在用微粒說(shuō)解釋光的折射時(shí)，他又用了機(jī)械論觀點(diǎn)。他假定速度為光速的微粒進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，在垂直界面方向受到一個(gè)吸引力，獲得一個(gè)垂直界面的附加速度，此附加速度與原來(lái)的速度相加的結(jié)果，合速度的方向向界面的法線靠攏，發(fā)生了折射。但是造成了合速度的大小將大于空氣中的光速c?？梢姕y(cè)量光在介質(zhì)中的速度大小將是微粒說(shuō)正確與否的“試金石”?？上М?dāng)時(shí)沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?duì)此進(jìn)行判斷。第十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日為什么光的微粒說(shuō)能統(tǒng)治一百多年？一方面，當(dāng)時(shí)沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)軠y(cè)量介質(zhì)中的光速，判斷微粒素是否正確，相反波動(dòng)說(shuō)還存在不少缺陷。另一方面，牛頓在力學(xué)領(lǐng)域的卓越成就和牛頓哲學(xué)思想在社會(huì)上的影響，使得微粒說(shuō)在一百多年內(nèi)占統(tǒng)治地位。值得指出，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)牛頓也承認(rèn)對(duì)某些光的光現(xiàn)象（如干涉）純粹用微粒說(shuō)無(wú)法解釋。尤其在他認(rèn)識(shí)到了光的周期性后，促使他將微粒說(shuō)與以太振動(dòng)的思想結(jié)合起來(lái)，對(duì)干涉條紋作出自己的解釋。第十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日§4.2光的波動(dòng)說(shuō)一、惠更斯的波動(dòng)說(shuō)波面：波在傳播過程中振動(dòng)相位相同的點(diǎn)組成的面稱為波面。波前：最前面的一個(gè)波面稱為波前?；莞够莞乖诘芽▋?、胡克等人的基礎(chǔ)上提出了光是振動(dòng)傳播的假說(shuō)。他認(rèn)為“光是發(fā)光體中微小粒子的振動(dòng)在彌漫于宇宙空間的完全彈性的介質(zhì)（以太）中的傳播過程。”他稱這種波為以太波。第十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

惠更斯提出類似于空氣中的聲波，以太波也是縱波。注意：這里惠更斯作了錯(cuò)誤的類比，實(shí)際上光波是橫波。正由于被認(rèn)為是縱波，所以對(duì)“偏振”現(xiàn)象就無(wú)法解釋了，加上“以太”是否存在還是一個(gè)疑問，而且初期的波動(dòng)說(shuō)還缺乏數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，所以難以與微粒所抗衡。橫波中質(zhì)元的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直縱波中質(zhì)元振動(dòng)方向與波傳播方向平行

第十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日惠更斯原理每一時(shí)刻的波前上各點(diǎn)都可看成是新的子波源，從它們發(fā)出的各個(gè)球形子波在下一時(shí)刻的共同包絡(luò)面就是下一時(shí)刻的新波前。第十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日二、光的反射用惠更斯原理可以解釋光的反射第十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日三、光的折射1．折射的物理意義用惠更斯原理不僅可以解釋光的折射，而且給出了折射率的明確的物理意義。同圖可得到，折射率其中θ是在真空中的入射角，φ是介質(zhì)中的折射角，v是介質(zhì)中的光速。第十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日2．光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)通常對(duì)兩種介質(zhì)而言，光密介質(zhì)：折射率較大的介質(zhì)，光速較小。光疏介質(zhì)：折射率較小的介質(zhì)，光速較大。真空中，折射率n=1，在真空中的光速c最大。光從介質(zhì)a以入射角θa進(jìn)入介質(zhì)b，折射角為θb，則折射率（對(duì)黃光）介質(zhì)空氣（標(biāo)準(zhǔn)狀況）水光學(xué)玻璃水晶（石英）巖鹽（NaCl）冰金剛石折射率n1.00031.331.52~1.671.541.541.312.42第十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日四、光的全反射全反射：一束光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于某臨界角時(shí)，光將全部反射回來(lái)。第十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)用舉例：光纖光纖照片會(huì)傳像的光纖光纖第二十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日§4.3光的干涉、衍射和偏振一、雙縫干涉和薄膜干涉干涉條件相同的頻率有穩(wěn)定的相位差相同的振動(dòng)方向雙縫干涉雙縫干涉條紋第二十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日用波的疊加原理，可以對(duì)干涉條紋作出定量說(shuō)明而因?yàn)閥<<L，x1+x2，可近似地用2L來(lái)代替，于是我們得到“光程差”等于：

托馬斯?楊第二十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)屏上一點(diǎn)

A

的坐標(biāo)

y

使得δ=2nπ(n=0,1,2…)時(shí)，兩支光波在

A

點(diǎn)“干涉相長(zhǎng)”，光強(qiáng)最大，表現(xiàn)為明亮條紋，此時(shí)，即在另一些點(diǎn)上，當(dāng)其坐標(biāo)y滿足關(guān)系時(shí)，相應(yīng)之δ=(2n+1)π(n=0,1,2…)

，表示兩支光波在疊加時(shí)“干涉相消”，光強(qiáng)為零，產(chǎn)生暗條紋。

（亮條紋）（暗條紋）第二十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

在原點(diǎn)O

處產(chǎn)生亮條紋，其兩側(cè)依次產(chǎn)生暗、明相間的條紋，兩條相鄰的亮條紋（或暗條紋）的間隔等于：2．薄膜和劈尖干涉及其應(yīng)用（1）薄膜干涉：肥皂泡或路面上的油膜所產(chǎn)生的彩色圖樣，是由于光在薄膜上、下表面反射回來(lái)的光發(fā)生干涉而形成的。薄膜干涉第二十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日（2）空氣劈尖干涉劈尖干涉：光從極小角度的空氣劈的上、下兩個(gè)面反射回來(lái)，發(fā)生干涉。應(yīng)用：運(yùn)用劈形膜的等厚干涉原理，可以檢測(cè)物體表面的平整度。取一塊光學(xué)平面的玻璃片，稱為平晶，放在待檢測(cè)工件（玻璃片或者金屬磨光面）的表面上方，在平晶與工件表面間形成劈形空氣膜，然后用單色光垂直照射，觀察干涉條紋。劈尖干涉第二十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日從等厚干涉的特點(diǎn)可知，每一條條紋對(duì)應(yīng)于薄膜中的一條等高線。如果工件表面是非常平整的，那么等厚條紋應(yīng)該是平行于棱邊的一組平行線；如果工件表面不平整（肉眼不一定能看出），則等厚條紋就應(yīng)該是隨著工件表面凹凸的分布而出現(xiàn)的一組形狀各異的曲線。檢測(cè)精密表面平整度第二十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日（3）牛頓環(huán)牛頓環(huán)：把一個(gè)大曲率凸透鏡放在光學(xué)平面玻璃片上。當(dāng)用單色光正入射到透鏡平面上時(shí)，由于凸透鏡與下面平面玻璃片間形成的空氣劈的作用，則沿著空氣劈厚度增加的方向可觀測(cè)到同心圓環(huán)形的明暗干涉條。牛頓環(huán)可用來(lái)快速檢測(cè)透鏡的曲率半徑及其表面是否合格。牛頓環(huán)第二十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日單縫衍射縫寬時(shí)無(wú)衍射二、單縫衍射和單孔衍射儀器分辨率1．單縫衍射不同于雙縫干涉，單縫衍射中央亮條紋特別寬，集中了約90%的光強(qiáng)，近似為原來(lái)單縫的像。單縫衍射圖樣第二十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日2．圓孔衍射衍射圖樣中第一暗環(huán)對(duì)小孔中心的張角為θ，波長(zhǎng)λ一定時(shí)，d越小，θ越大，即光轉(zhuǎn)彎越厲害。法國(guó)科學(xué)家菲涅耳從波動(dòng)觀點(diǎn)出發(fā)，將疊加原理與惠更斯原理結(jié)合起來(lái)，嚴(yán)格計(jì)算了狹縫圓孔、圓板后面的衍射圖樣。尤其是在圓板后面屏幕中央有亮斑，當(dāng)時(shí)轟動(dòng)了法國(guó)科學(xué)院，一些權(quán)威不相信。但最終實(shí)驗(yàn)證實(shí)了菲涅耳的計(jì)算結(jié)果，從而使波動(dòng)說(shuō)取得了決定性的勝利。菲涅耳圓孔衍射圖樣第二十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日3．儀器分辨率儀器分辨率

第三十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日電磁波傳播

三、光的偏振1．什么是偏振光？電磁波是橫波，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直。第三十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日非偏振光：垂直傳播方向的振動(dòng)方向可以在Oxy平面內(nèi)是任意的。自然光：在垂直于傳播方向的各方向上，電場(chǎng)強(qiáng)度振動(dòng)的強(qiáng)度隨時(shí)間的平均值是均勻的。線偏振光：光振動(dòng)只沿某一固定方向。自然光線偏振光第三十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日部分偏振光：某一方向的光振動(dòng)比與之垂直方向上的光振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)。橢圓偏振光：光矢量按一定頻率旋轉(zhuǎn)，其矢端軌跡為橢圓的。圓偏振光：光矢量按一定頻率旋轉(zhuǎn)，其矢端軌跡為圓的。部分偏振光橢圓偏振光圓偏振光第三十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日2．如何產(chǎn)生偏振光？（1）用起偏器，使非偏振光變成線偏振光。（2）普通反射光也是部分偏振的。當(dāng)光在折射率為n的介質(zhì)內(nèi)，以θ=θB（布儒斯特角）入射到折射率為n′的介質(zhì)表面時(shí)，反射光可達(dá)到完全線偏振（光矢量垂直于入射平面）。第三十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日3．應(yīng)用舉例讓某種偏振光透過鏡片第三十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日光的偏振的應(yīng)用（1）在攝影鏡頭前加上偏振鏡消除反光在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會(huì)出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于光線的偏振而引起的。在拍攝時(shí)加用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡面，能夠阻擋這些偏振光，借以消除或減弱這些光滑物體表面的反光或亮斑。要通過取景器一邊觀察一邊轉(zhuǎn)動(dòng)鏡面，以便觀察消除偏振光的效果。當(dāng)觀察到被攝物體的反光消失時(shí)，既可以停止轉(zhuǎn)動(dòng)鏡面。第三十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日（2）司機(jī)鏡當(dāng)司機(jī)駕車在公路上迎著太陽(yáng)行駛時(shí)，會(huì)因路面的反射光而感到晃眼。陽(yáng)光照射在路面上而反射，入射面垂直于路面，而反射光的光振動(dòng)以垂直于入射面為主（即以平行于路面為主）。這就是司機(jī)鏡的原理，它是一種特殊的偏振鏡。只要司機(jī)戴上它，鏡片的偏振化方向取垂直于路面方向，就不會(huì)感晃眼睛。司機(jī)鏡第三十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日（3）攝影時(shí)控制天空亮度，使藍(lán)天變暗由于藍(lán)天中存在大量的偏振光，所以用偏振鏡能夠調(diào)節(jié)天空的亮度，加用偏振鏡以后，藍(lán)天變的很暗，突出了藍(lán)天中的白云。偏振鏡是灰色的，所以在黑白和彩色攝影中均可以使用。

第三十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日（4）使用偏振鏡看立體電影在觀看立體電影時(shí)，觀眾要戴上一副特制的眼鏡，這副眼鏡就是一對(duì)透振方向互相垂直的偏振片。立體電影是用兩個(gè)鏡頭如人眼那樣從兩個(gè)不同方向同時(shí)拍攝下景物的像，制成電影膠片。在放映時(shí)，通過兩個(gè)放映機(jī)，把用兩個(gè)攝影機(jī)拍下的兩組膠片同步放映，使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上。這時(shí)如果用眼睛直接觀看,看到的畫面是模糊不清的，要看到立體電影，就要在每架電影機(jī)前裝一塊偏振片，它的作用相當(dāng)于起偏器，從兩架放映機(jī)射出的光,通過偏振片后，就成了偏振光。左右兩架放映機(jī)前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直。這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振第三十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

光方向不改變。觀眾用上述的偏振眼鏡觀看,每只眼睛只看到相應(yīng)的偏振光圖像，即左眼只能看到左機(jī)映出的畫面，右眼只能看到右機(jī)映出的畫面，這樣就會(huì)像直接觀看那樣產(chǎn)生立體感覺。這就是立體電影的原理。當(dāng)然，實(shí)際放映立體電影是用一個(gè)鏡頭，兩套圖像交替地印在同一電影膠片上，還需要一套復(fù)雜的裝置。這里就不涉及了。立體電影眼鏡第四十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日一、光電效應(yīng)和愛因斯坦的“光子”假設(shè)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1.存在截止頻率。2.光照到金屬表面光電流立即產(chǎn)生。3.光的最大動(dòng)能只與光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)?！?.4光的波粒二重性用經(jīng)典理論無(wú)法解釋！光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)第四十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

愛因斯坦把普朗克關(guān)于能量量子化的假定推廣用來(lái)解釋“光電效應(yīng)”。他指出：“按通常的想法，光的能量是連續(xù)地分布于光傳播所經(jīng)過的空間，當(dāng)人們?cè)噲D解釋光電現(xiàn)象時(shí)，這種想法遇到了極大的困難”。

——《光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》（1905）為此，他進(jìn)一步假定光的能量也是量子化的，是由“能量子所組成”，且“每個(gè)能量子將它的能量轉(zhuǎn)移給電子，與所有其它的量子關(guān)，那么電子的速度分布，將與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)；第四十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

但在另一方面，假設(shè)其它情況都相同，則離開物體的電子的數(shù)目將正比于入射光的強(qiáng)度。”這里的能量子后來(lái)被稱為光量子或光子。每個(gè)光子的能量是與頻率成正比。第四十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日二、“光量子”假設(shè)遭到冷遇和懷疑（1）光子的概念與人們?cè)瓉?lái)對(duì)光的認(rèn)識(shí)相差太大。（2）由光電方程可得即V0與頻率成正比。但當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)還不夠精確，此式未得到很好的驗(yàn)證。所以“光量子”假設(shè)不被科學(xué)界所接受。普朗克認(rèn)為“他可能在他的思索中失去目標(biāo)”。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家還是試圖用經(jīng)典波動(dòng)理論來(lái)解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。第四十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日密立根三、密立根實(shí)驗(yàn)直到1914年，才由美國(guó)物理學(xué)家密立根全面驗(yàn)證了光電方程的正確性。從V0與成正比，并從第一次直接從實(shí)驗(yàn)中測(cè)定了普朗克常數(shù)h。第四十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日1921年和1923年，愛因斯坦和密立根先后獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。很有意思的是，在1923年的領(lǐng)獎(jiǎng)演說(shuō)中，密立根公開承認(rèn)自己曾長(zhǎng)期對(duì)愛因斯坦的“光量子”觀點(diǎn)和光電方程抱懷疑態(tài)度。他在演說(shuō)中說(shuō)道：

“與我自己預(yù)料的相反，這項(xiàng)工作終于在1914年成了愛因斯坦方程在很小實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)精確有效的第一次直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并且第一次直接從光電效應(yīng)測(cè)定普朗克常數(shù)h?！泵芰⒏瘢鹤鹬厥聦?shí)，而不是尊重權(quán)威不被傳統(tǒng)觀念束縛有勇氣否定自己第四十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日四、光的波粒二象性

1909年，愛因斯坦明確地提出了光的波粒二象性，并說(shuō)這“可以被理解為波動(dòng)理論和微粒說(shuō)的一種統(tǒng)一”。他提出兩個(gè)著名的關(guān)系式：

將標(biāo)志波動(dòng)性的

和通過h與標(biāo)志粒子性的E和p聯(lián)系起來(lái)了。光在傳播時(shí)顯示了波動(dòng)性，在與物質(zhì)相互作用而轉(zhuǎn)移能量時(shí)顯示出了粒子性，兩者不會(huì)同時(shí)顯示出來(lái)。第四十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日康普頓散射裝置五、康普頓效應(yīng)1．任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證。1923年美國(guó)物理學(xué)家康普頓證明了X射線的粒子性，是繼光電效應(yīng)后證明光的粒子性的又一個(gè)獨(dú)立的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)。2．X射線源發(fā)射一束波長(zhǎng)為的X射線，經(jīng)一塊石墨發(fā)生散射，散射光穿過光闌，其波長(zhǎng)和強(qiáng)度可以由晶體和探測(cè)器所組成的光譜儀來(lái)測(cè)定。第四十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日3．康普頓接受愛因斯坦的觀點(diǎn)，認(rèn)為X射線的光子好比一個(gè)個(gè)小剛球，每一個(gè)不但有能量E=h，而且具有動(dòng)量p=h/(

=c)。第四十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

康普頓實(shí)驗(yàn)比光電效應(yīng)更進(jìn)一步證實(shí)了電磁輻射的“粒子性”，因?yàn)樵诮忉尮怆娦?yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，只涉及到了光子的能量。而在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)，不僅考慮了光子的能量，還考慮了光子的動(dòng)量。所以康普頓散射實(shí)驗(yàn)為愛因斯坦的光量子假設(shè)提供了更完全的依據(jù)，在這以后，懷疑“光量子”說(shuō)的人就非常少了?？灯疹D因此獲得1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？灯疹D第五十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日§4.5多普勒效應(yīng)一、聲波的多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)：聲源與觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的表觀頻率發(fā)生變化。兩種情況：

1．聲源靜止，觀察者動(dòng)，速度為vob

當(dāng)觀察者向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，取vob>0

當(dāng)觀察者背離聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，取vob<0

表觀頻率′為第五十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日2．觀察者靜止，聲源運(yùn)動(dòng)，速度為vs

當(dāng)聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，取vs>0

當(dāng)聲源背離觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，取vs>0

表觀頻率′為3．如兩者一起運(yùn)動(dòng)，表觀頻率多普勒效應(yīng)第五十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

4．光學(xué)多普勒效應(yīng)

改寫為頻率的改變量：在同樣近似程度內(nèi)，有或兩式統(tǒng)一為第五十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

請(qǐng)注意：以上只是觀察者與光源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在它們的連線上的情況，稱為縱向多普勒效應(yīng)。第八章將介紹橫向多普勒效應(yīng)。應(yīng)用舉例：雷達(dá)測(cè)速儀（測(cè)云層、飛機(jī)、汽車等的速度）雷達(dá)測(cè)速第五十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日例1

設(shè)地面固定雷達(dá)站發(fā)出頻率為

的雷達(dá)波，當(dāng)波遇見飛行物（以速度v迎面而來(lái)）被反射回來(lái)后，又被雷達(dá)站所接受時(shí)，其頻率改變?yōu)?，求其頻率。解雷達(dá)波被（靠近的）飛行物反射可以視為先被飛行物接收，繼而由飛行物再發(fā)射的兩步過程。第一步：飛行物接收到的雷達(dá)波的表觀頻率為第二步：飛行物將頻率為的波再發(fā)射（實(shí)際是反射）出來(lái)，被雷達(dá)站接收時(shí)，其頻率又從升高到表觀頻率第五十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日于是總的頻率增量等于：例2

氣象上已廣泛使用氣象雷達(dá)，它常用的工作頻率是

=2.7GHz，今若有一朵雨云以速度v=28m/s向氣象站飛來(lái)，問雷達(dá)測(cè)到的頻率為多少？解可見測(cè)量精度已達(dá)到，這樣才保證今天的氣象預(yù)報(bào)有很高的準(zhǔn)確性。第五十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日§4.6玻爾公式光的共振吸收

激光原理一、兩能級(jí)原子與光的相互作用1．自發(fā)輻射和受激（共振）輻射為了解釋原子與光譜是線光譜的事實(shí)，玻爾假定一個(gè)原子只能處于若干不連續(xù)的分立的能量狀態(tài)，稱為定態(tài)。2．原子退激所放光子能量或共振吸收的光子能量為這就是玻爾公式。二能級(jí)系統(tǒng)第五十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日二、愛因斯坦關(guān)于受激輻射的預(yù)言和激光的發(fā)明1．1917年，愛因斯坦為了導(dǎo)出普朗克黑體輻射公式，首先預(yù)言了“受激輻射”過程。誘發(fā)光子的能量吸收前吸收后受激輻射前受激輻射受激吸收過程受激輻射過程第五十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日2．受激輻射光的特征所放出的兩個(gè)光子有同樣的頻率，同樣的偏振方向和同樣的相位。顯然是實(shí)現(xiàn)了光的放大，有很好的應(yīng)用前景。第五十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日3．獲得激光的必要條件

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：使上能級(jí)E2的原子數(shù)大大超過下能級(jí)E1原子數(shù)。

激光的英文名字是Laser（鐳射），也就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的縮寫。激光的意思是光受激輻射放大。這個(gè)簡(jiǎn)練又準(zhǔn)確的名字是錢學(xué)森提出的。4．氦氖激光器的物理過程產(chǎn)生激光的工作介質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所提供的激勵(lì)源，實(shí)現(xiàn)光放大的諧振腔。第六十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日三、激光冷卻、玻色-愛因斯坦凝聚

20世紀(jì)30年代，愛因斯坦曾提出一個(gè)著名的預(yù)見，當(dāng)溫度降低到原子的波長(zhǎng)約等于原子的間距時(shí)，會(huì)有一個(gè)很特殊的情況發(fā)生：許多原子的行為開始變得一致，這意味著它們的相位、速度和任何狀態(tài)都一模一樣。這被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。為什么？這正是量子力學(xué)告訴我們的秘密第六十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日在溫度很低而密度很高的狀態(tài)下，許多原子的行為將開始變得一致xy第六十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日用眼睛對(duì)著激光看，會(huì)被灼傷視網(wǎng)膜；激光還能切割、焊接金屬。然而，激光也可以把原子冷卻到非常低的溫度！激光可以用來(lái)加熱，你同意嗎？第六十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日如何理解激光冷卻？所謂激光冷卻，就是在激光作用下使原子的速度降低。激光冷卻與捕陷原子獲得低溫是長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家所刻意追求的一種技術(shù)。它不但給人類帶來(lái)實(shí)惠，例如超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)與研究，而且為研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)創(chuàng)造了獨(dú)特的條件。例如在低溫下，分子、原子熱運(yùn)動(dòng)的影響可以大大減弱，原子更容易暴露出它們的“本性”。以往低溫多在固體或液體系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這些系統(tǒng)都包含著有較強(qiáng)的相互作用的大量粒子。20世紀(jì)80年代，借助于激光技術(shù)獲得了中性氣體分子的極低溫（例如，10-10K）狀態(tài)，這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。第六十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日

實(shí)際上，原子的運(yùn)動(dòng)是三維的。1985年貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱棣文小組就用三對(duì)方向相反的激光束分別沿x，y，z三個(gè)方向照射鈉原子，在6束激光交匯處的鈉原子團(tuán)就被冷卻下來(lái)，溫度達(dá)到了240mK。理論指出，多普勒冷卻有一定限度（原因是入射光的譜線有一定的自然寬度），例如，利用波長(zhǎng)為589nm的黃光冷卻鈉原子的極限為240mK，利用波長(zhǎng)為852nm的紅外光冷卻銫原子的極限為124mK。但研究者們進(jìn)