物理与文化 第四章光的本性

第四章光的本性是什么 光学的发展大体可分为五个时期 1 萌芽时期2 几何光学时期3 波动光学时期4 量子光学时期5 现代光学时期 第四章光的本性是什么 墨子有名的光学成就 现象 说明 薄膜干涉 说明光是波 现象 说明 分光 白光是复色光 由七种颜色的光组成 光是什么 惠更斯 认为光是 托马斯 杨 说明 菲涅耳 泊松 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衍射的定义 p1201 单缝衍射不同于双缝干涉 单缝衍射中央亮条纹特别宽 集中了约90 的光强 近似为原来单缝的像 单缝衍射图样 观察下列衍射图样 分析衍射规律 单缝衍射规律 1 波长一定时 单缝越窄 中央条纹越宽 各条纹间距越大 衍射越明显 2 单缝不变时 光波波长的 红光 中央亮纹越宽 条纹间隔越大 衍射越明显 3 白炽灯的单缝衍射条纹为中央亮 两侧为彩色条纹 且外侧呈红色 靠近光源的内侧为紫色 A B S 孔较小时 屏上出现衍射花样 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 3 仪器分辨率 仪器分辨率 波长 一定时 孔径D越小 越大 即光转弯越厉害 但对于仪器和眼睛是不利的 投资约为21亿美元的 平方千米阵列 建成后将成为世界上最大的射电望远镜阵列 1808年马吕斯 法国物理学家及军事工程师 1775 1812 偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象 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 英国物理学家D 布儒斯特于1815年发现 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 光的偏振的应用 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 电磁波的第2条性质 电磁波的电场矢量E与磁场矢量B是互相垂直的 并与传播方向k满足右螺旋关系 Z X Y 偏振 2 墨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 特别是阳光斜射时 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 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 动物的利用 导航 2003年七月初的 自然 期刊报道 瑞典科學家MARIEDACKE與其研究團隊首度發現 非洲糞金龜 AfricanDungbeetles 可以在有月色的夜晚 利用月光的偏振來進行導航定位 當月光在通過大氣層時 因為會受到大氣層中微粒的散射 使得照射到地表的月光具有特定的偏振方向 令人驚奇的是 當改變月光方向90度後 非洲糞金龜的爬行方向也偏離了90度 這種突然大轉彎90度的移動行為顯示 非洲糞金龜能夠利用月光的偏振來貫徹其直線路徑的行動 人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的 但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感 比如蜜蜂有五支眼 三支复眼 两支复眼 每个复眼包含有6300个小眼 这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位 然后以太阳为定向标来判断方向 所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛 再如在沙漠中 如果不带罗盘 人是会迷路的 但是沙漠中有一种蚂蚁 它能利用天空中的紫外偏光导航 因而不会迷路 5 3D立体电影 3D显示技术的基本原理 人的两眼因为分开约2 5英寸 看东西时角度不同 这个视差经视网膜传到大脑里 产生远近的深度 从而产生立体感 设想用两台照相机 分开2 5英寸 代表双眼照出两帧影像 然后让两只眼睛一边一个 各看到自己一边的影像 透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了 这就是各种3D显示技术的基本原理 换句话说 主要利用了双眼的视差 通过给观众左右两眼分别送去不同的画面 而达到立体效果 1 使用偏振镜看立体电影在放映时 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 看到的画面是模糊不清的 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 左右眼带上不同方向的偏振眼镜 使得左眼只能看左边放映机的图像 右眼只能看右边放映机的图像 红蓝滤镜法成像技术 较原始而简便的3D显示法 原理是将左右两幅红蓝图像重叠在显示屏上 再由红蓝滤镜分别输送到观众的左右眼 其最大的缺点是丢失了景物的颜色 基本上不大受欢迎 因为红蓝重叠图像的文件可以很容易录在4 7GB的DVD光碟上 很多红蓝3D电影片的DVD已推入市场 唯一的优点是它能用普通的电视机播放 另外一种相似的系统采用黄蓝二色成像 液晶开关眼镜法可能是3D电视的新宠 顾名思义 此项解决方案需要观众佩戴一种特别的名叫开关眼镜的东西 此技术采用画面交换的办法 将左右眼图像频繁交互显示 它将垂直同步讯号作为快门切换 控制液晶开关眼镜 显示器在第一次刷新时显示左眼画面 而开关眼镜只开左镜 遮蔽右镜 在下一次刷新时显示右眼画面 而开关眼镜只开右镜 遮蔽左镜 人们看到的就是连续的立体画面 2009年 电影 阿凡达 上映掀起了3D的狂潮 2012年 央视开通了首个3D频道 杜比3D滤光技术 这是放映3D电影的最新技术 有部分人认为是观看3D电影的最佳选择 它采用被动式窄带滤光眼镜 塑料的 很轻便 左右镜片过滤的是略为不同的3原色可见光 价格比偏振眼镜贵 可是投影屏幕没有特殊要求 白色就行 因为采用全可见光谱色彩过滤技术 其色彩比较鲜艳 基本上无杂影 看电影没有头晕感觉 全息投影 纯正3D 全息摄影采用激光作为照明光源 并将光源发出的光分为两束 一束直接射向感光片 另一束经被摄物的反射后再射向感光片 两束光在感光片上叠加产生干涉 感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同 所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度 也记录了位相信息 全息投影技术在舞美中的应用 不仅可以产生立体的空中幻像 还可以使幻像与表演者产生互动 一起完成表演 产生令人震撼的演出效果 伽利略 赫兹的电磁波实验 1879年麦克斯韦逝世 同年德国柏林科学院悬赏征求对麦克斯韦所预言的电磁波的实验验证 1888年1月 赫兹发现了电磁波 通过实验确认了电磁波是横波 具有与光类似的特性 如反射 折射 衍射等 并且实验了两列电磁波的干涉 同时证实了在直线传播时 电磁波的传播速度与光速相同 从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性 天主关上了门 又在别处开了窗 赫兹打开了一扇门 又在旁边开了一扇窗 爱因斯坦从窗里打开了另一扇门 在1887年 赫兹发现了另外一个实验现象 1 每一种金属在产生光电效应时都存在一极限频率 或称截止频率 即照射光的频率不能低于某一临界值 相应的波长被称做极限波长 或称红限波长 当入射光的频率低于极限频率时 无论多强的光都无法使电子逸出 2 光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关 而与光强无关 3 光电效应的瞬时性 实验发现 只要光的频率高于金属的极限频率 光的亮度无论强弱 光子的产生都几乎是瞬时的 即几乎在照到金属时立即产生光电流 响应时间不超过十的负九次方秒 1ns 4 入射光的强度只影响光电流的强弱 即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目 在光颜色不变的情况下 入射光越强 饱和电流越大 即一定颜色的光 入射光越强 一定时间内发射的电子数目越多 当金属板被光照射时 附近空气会变成导电的 后来德国物理学家霍尔瓦克斯和勒纳德证实 是紫外线把金属中的电子打出来而导电 取名叫光电效应 爱因斯坦的光的波粒二象性 是遍及整个物理世界的一种绝对普遍现象 L 德布罗意 物理学的新前景 1962 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 一 光电效应和爱因斯坦的 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量子光学时期 光的波粒二象性 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 为了保持牛顿理论的基本观念 我们必须假设 单色光是由能量子组成的 并用光量子代替旧的光微粒 光量子以光速在空中穿过 它是能量的最小单元 光子 牛顿理论在这个心的形式下复活 光的量子论 不但物质与电荷有微粒结构 辐射能也有微粒结构 爱因斯坦继承和发展了普朗克和牛顿的科学思想 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 1913年 普朗克等人在提名爱因斯坦为普鲁士科学院院士时 认为 他可能在他的思索中失去目标 当时的科学家 如勒纳德 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 经过10年的实验研究 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 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 2 X射线源发射一束波长为 0 1nm 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 太阳光在被空气散射后 光的波长不会改变 但康普顿发现 X射线被石墨散射后却 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 根据牛顿力学动量和能量守恒计算出改变的波长 符号实验 康普顿实验比光电效应更进一步证实了电磁辐射的 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 现象 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 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vob 0当观察者背离声源运动时 取vob 0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 一个模拟实验 让一队人沿街行走 观察者站在街旁不动 每秒有9个人从他身边通过 下图上 这种情况下的 过人频率 是9人 秒 如果观察者逆着队伍行走 每秒和观察者相遇的人数增加 也就是频率增加 下图中 反之 如果观察者顺着队伍行走 频率降低 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 医生向人体内发射频率已知的超声波 超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收 测出反射波的频率变化 就能知道血流的速度 这种方法俗称 彩超 可以检查心脏 大脑和眼底血管的病变 多普勒 斐索效应 当光源靠近时 光谱线会移向紫端 左边 而当光源远离时 光谱线则移向红端 右边 多普勒一斐索效应已经应用在各个不同的方面 在我们的太阳系内 它可以用来以一种新的方式证实太阳的自转 在太阳自转的过程中 太阳正在转向我们的边缘所发出的光谱线会向紫端偏移 紫移 而另一边缘则显示出红移 因为这一边缘正在远离我们而去 诚然 太阳黑子的运动是探测太阳自转的更好而且更明显的方法 已由此得知 太阳相对于恒星的自转周期大约是26天 宇宙中的星球都在不停地运动 测量星球上某些元素发出的光波的频率 然后跟地球上这些元素静止时发光的频率对照 就可以算出星球靠近或远离我们的速度 1929年 在威尔逊山天文台的哈勃提出 星系的退行速度在有规律地增加 一个星系的退行速度与其距离成正比 如果星系A远离我们的距离是星系B的2倍 那么星系A的退行速度就是星系B的2倍 这个规律有时叫做哈勃定律 哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的 这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀 因此 在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀 从任何一个星系来看 一切星系都以它为中心向四面散开 越远的星系间彼此散开的速度越大 4 6现代光学时期 激光 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言和激光的发明1 1917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LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation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 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 激光可以用来加热 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