光學(xué)與原子物理

光學(xué)與原子物理第一頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日助教黃少茹老師徐滕老師《光學(xué)》第零章緒論第一章幾何光學(xué)第二章光的波動(dòng)模型第三章光的干涉第四章光的衍射第五章光的電磁性第二頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日第零章緒論?學(xué)習(xí)光學(xué)的重要性；?光學(xué)講什么？?光是什么？第三頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日學(xué)習(xí)光學(xué)的重要性?光(陽(yáng)光)是生命的源泉。?光是人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的主要橋梁。人類(lèi)感官得到的外界信息中，至少90%通過(guò)眼睛。?光現(xiàn)象是物理理論的主要發(fā)源地。?光學(xué)應(yīng)用科學(xué)迅猛發(fā)展。?現(xiàn)代光學(xué)是科學(xué)前沿的重要領(lǐng)域。第四頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日光學(xué)的內(nèi)容與分類(lèi)?什么是光學(xué)光學(xué)研究光的本性，光的產(chǎn)生、傳播、光與物質(zhì)相互作用以及光在科技中應(yīng)用的科學(xué)。?光學(xué)的內(nèi)容幾何光學(xué)：以光的直線傳播、反射、折射三大實(shí)驗(yàn)定律為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播與成像的規(guī)律波動(dòng)光學(xué)：以Maxwell電磁理論為基礎(chǔ)，研究光的波動(dòng)性、電磁性(主要在宏觀傳播方面)量子光學(xué)：以光的量子理論為基礎(chǔ)，描述光的粒子性(主要表現(xiàn)在發(fā)光機(jī)制及光與物質(zhì)的相互作用方面)?波動(dòng)光學(xué)，量子光學(xué)統(tǒng)稱(chēng)物理光學(xué)，描述光的本性！第五頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日?當(dāng)光場(chǎng)(光波傳播到的整個(gè)區(qū)域)的特征量(能量密度、光強(qiáng)度)》h時(shí)，量子效應(yīng)不明顯－－波動(dòng)光學(xué)！?傳播過(guò)程中障礙物線度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)－－幾何光學(xué)?光與物質(zhì)相互作用時(shí)(一個(gè)光子與一個(gè)原子作用)－－量子光學(xué)光學(xué)的分類(lèi)第六頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日1.光的機(jī)械微粒說(shuō)與初期波動(dòng)說(shuō)的斗爭(zhēng)微粒說(shuō)：光是粒子流(滿(mǎn)足力學(xué)規(guī)律)代表人物：Descartes,Newton起因:光的直線傳播--易用自由粒子解釋?zhuān)还饽茉谡婵罩袀鞑?-機(jī)械波需要介質(zhì)；牛頓的權(quán)威(機(jī)械論的觀念)光是什么？第七頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日微粒說(shuō)對(duì)直進(jìn)、反射、折射的解釋:反射：彈性碰撞折射：微粒受界面法向力的作用存在問(wèn)題：(1)不能解釋當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的干涉現(xiàn)象(牛頓環(huán))(2)得出光密介質(zhì)光速大的錯(cuò)誤結(jié)論第八頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日波動(dòng)說(shuō)：光是一種波動(dòng)現(xiàn)象代表人物：Hooke,Huygens理論觀點(diǎn)：光是以太中的振動(dòng)的傳播，以太中每一點(diǎn)可看成次波源起因:二列波的獨(dú)立傳播現(xiàn)象;發(fā)現(xiàn)牛頓環(huán)現(xiàn)象(Hooke發(fā)現(xiàn)，象水波)；Grimalde發(fā)現(xiàn)衍射現(xiàn)象第九頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日Huygens解釋折射：(Huygens原理)缺點(diǎn)：不完善，不能解釋光的直進(jìn)，也不能解釋衍射！第十頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日重新興起：1801年楊氏(T.Young)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1802年楊用波相干疊加思想解釋雙縫實(shí)驗(yàn)1808年馬呂斯發(fā)現(xiàn)光的偏振給機(jī)械粒子說(shuō)致命打擊的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：小圓盤(pán)衍射水中光速的測(cè)定這時(shí)期的主要物理思想是：Young對(duì)干涉的解釋和Fresnel對(duì)衍射的解釋惠-菲原理！2.波動(dòng)說(shuō)的初步確立第十一頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日19世紀(jì)電磁學(xué)迅速發(fā)展，最后麥克斯韋把電磁學(xué)規(guī)律總結(jié)為四個(gè)方程，建立了完整的電磁理論體系。麥克斯韋斷言，光波=電磁波！后來(lái)，赫茲(H.Hertz)用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，并發(fā)現(xiàn)電磁波也有反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象。以后一個(gè)時(shí)期，經(jīng)典光學(xué)以麥?zhǔn)想姶爬碚摓榛A(chǔ)，解釋了所有關(guān)于光的傳播現(xiàn)象(干涉、衍射、偏振、雙折射等等)，使經(jīng)典光學(xué)達(dá)到相當(dāng)完美的地步。3.光由類(lèi)機(jī)械波向光是電磁波的轉(zhuǎn)變第十二頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日以太的否定，電磁波是物質(zhì)波當(dāng)波動(dòng)說(shuō)確定后，人們初認(rèn)為光是以太中傳播的類(lèi)彈性波；但根據(jù)機(jī)械彈性理論研究以太，發(fā)現(xiàn)以太有許多難以想象的性質(zhì)。最根本的：若有以太存在，就有以太絕對(duì)靜止系，可以測(cè)到以太相對(duì)地球的速度。這被實(shí)驗(yàn)證偽。Einstein否定以太。電磁波不需要介質(zhì)。電磁波是物質(zhì)波。第十三頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日1900年，普朗克發(fā)現(xiàn)了黑體輻射公式，并提出了“能量子假說(shuō)”：物質(zhì)在發(fā)光時(shí)是一份份輻射的1905年，愛(ài)因斯坦為解釋光電效應(yīng)，提出“光量子假說(shuō)”：光是光子流(不但在輻射時(shí)是一份份的，在傳播、吸收時(shí)也是一份份的)康普頓散射：光子與電子作用時(shí)滿(mǎn)足動(dòng)量守恒與能量守恒4.光的本性具有波粒二象性思想的確立至此，人們不得不承認(rèn)，一方面光在宏觀傳播時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性，另一方面，在光與物質(zhì)相互作用時(shí)，發(fā)生能、動(dòng)量交換時(shí)光有充分顯示出量子化(粒子性)的特征。第十四頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日1924年前后，德布羅意受光的波粒二象性啟發(fā)，提出微觀粒子也具有波粒二象性的大膽假設(shè)，導(dǎo)致量子力學(xué)誕生(微觀粒子的波動(dòng)力學(xué))，后被電子衍射、中子衍射所證實(shí)。5.對(duì)量子理論的影響后來(lái)海森堡、玻爾、波恩、薛定諤、狄拉克等人創(chuàng)立和發(fā)展了量子力學(xué)20世紀(jì)20-30年代，狄拉克、費(fèi)米等人又在量子力學(xué)基礎(chǔ)上創(chuàng)立了“相對(duì)論量子力學(xué)”、“量子場(chǎng)論”、“量子電動(dòng)力學(xué)”，描述基本粒子之間、光子與帶電粒子之間的相互作用。第十五頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日?從現(xiàn)象上看?傳播現(xiàn)象主要表現(xiàn)出波動(dòng)性，出現(xiàn)干涉、衍射、偏振等，規(guī)律完全由麥克斯韋電磁理論描述。?光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用(包括發(fā)光)主要表現(xiàn)出粒子性，規(guī)律由量子光學(xué)描述。?本質(zhì)上?光的動(dòng)力學(xué)行為(光與粒子的相互作用)能、動(dòng)量交換是量子化的，局域的，一次性的，在此意義上，光是光子流。?為何仍可講光是電磁波？光的波粒二象性的簡(jiǎn)單理解第十六頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律由電磁理論描述。光很弱時(shí)，光子一個(gè)一個(gè)被探測(cè)到，不可能半個(gè)光子(粒子性);少量時(shí)，無(wú)規(guī)律，大量光子時(shí)，出現(xiàn)干涉條紋亮度大則光子出現(xiàn)的幾率大。光子在屏上出現(xiàn)幾率與電