第七章其它物理效应

1、第六章其它物理效应第六章其它物理效应 当光由光密媒质向光疏媒质入射，入射角当光由光密媒质向光疏媒质入射，入射角 大于临界角大于临界角 时，便会发生 时，便会发生全反射全反射，界面将能，界面将能 量全部反回第一种媒质，但这并不是说第二种媒量全部反回第一种媒质，但这并不是说第二种媒 质中没有光波电磁场。质中没有光波电磁场。 第一节光隧道效应光隧道效应 利用电磁场理论，可以得到，利用电磁场理论，可以得到，当入射角大于临界角时，当入射角大于临界角时， 第二种媒质中的电场分量为：第二种媒质中的电场分量为： EzE0 exp-(2/) n12sin2in22zexp-i (txsini /1) 代表光波在

2、第一种媒质中传播的速度 代表光波在第一种媒质中传播的速度 上式描绘了上式描绘了一个振幅随的增一个振幅随的增 加而衰减，等相面以速度加而衰减，等相面以速度 sin 沿轴传播的非均匀波 沿轴传播的非均匀波 消逝波消逝波。如图。如图1（a）所示，）所示， 等幅面等幅面是平行界面常数的面是平行界面常数的面 等相面等相面是垂直界面常数的面是垂直界面常数的面 如果界面有极微小的起伏，如如果界面有极微小的起伏，如 图图1（b）所示，则等幅面也）所示，则等幅面也 跟随着起伏，表面的形貌信息便跟随着起伏，表面的形貌信息便 反映到等幅面形状上了。依上式反映到等幅面形状上了。依上式 可知，可知， Z/2 (n1 s

3、ini)2n22 在在 处振幅下降为界面处的处振幅下降为界面处的/，为穿透深度。，为穿透深度。 图光全反射 光导纤维内的全反射光导纤维内的全反射 光的全反射现象用来制造光的全反射现象用来制造 光纤，用两种折射率不同的玻光纤，用两种折射率不同的玻 璃拉成同轴电缆似的细细的光璃拉成同轴电缆似的细细的光 导纤维丝。如图导纤维丝。如图2所示，所示， 中心折射率大，外层折射率小中心折射率大，外层折射率小， 图左表朋了折射率的径向变化。图左表朋了折射率的径向变化。 由于全反射，光线经受不断反由于全反射，光线经受不断反 射向前传播射向前传播。将大量光纤集成。将大量光纤集成 一束（光缆），既可以传送图一束（光

4、缆），既可以传送图 象，也可以传送声音。因为光象，也可以传送声音。因为光 纤有信息传输容量大，又可避纤有信息传输容量大，又可避 免电磁干扰等特点，促使各国免电磁干扰等特点，促使各国 近年来不借耗资发展光纤通讯。近年来不借耗资发展光纤通讯。 图光导纤维 光纤除用于通讯外，还可以制作各光纤除用于通讯外，还可以制作各 种光纤传感器及各种特殊器件，如种光纤传感器及各种特殊器件，如 光纤陀螺等。光纤陀螺等。 现在，回到图现在，回到图6-1(a) 若在第二种若在第二种 媒质媒质(如空气中如空气中)，象图，象图6-1(a) 那样，那样， 图光学隧道效应 光通过折射率为光通过折射率为n1的介质发生的介质发生

5、全反射，在距离介质全反射，在距离介质n1和和n2界面很界面很 近处，放一折射率为近处，放一折射率为 n 3 的棱镜（的棱镜（n 3 n 2，或等于，或等于 n 1，这时会发现，这时会发现， 只要间隔足够小只要间隔足够小(小于穿透深度），小于穿透深度）， 媒质媒质n1中的全反射会受到抑制，光中的全反射会受到抑制，光 线将能穿越线将能穿越n2进入媒质进入媒质n3 区，这现区，这现 象称为象称为光学隧道效应光学隧道效应。 它与电子穿透势垒的隧道效应类似，它与电子穿透势垒的隧道效应类似， 是光的波动性必然结果。是光的波动性必然结果。 光学隧道效应可目来实现光信号光学隧道效应可目来实现光信号 的耦合，它

6、在集成光学、光纤技术的耦合，它在集成光学、光纤技术 中十分有用。图中十分有用。图6-3（b）表明光信）表明光信 号向光波导薄膜的耦合。号向光波导薄膜的耦合。 图图6-4明两条光纤通过光学隧道明两条光纤通过光学隧道 效应实现耦会构成迈克逊干涉仪式效应实现耦会构成迈克逊干涉仪式 的光纤通讯系统。图中光耦合器是的光纤通讯系统。图中光耦合器是 通过烧融或磨合将两根光纤的一部通过烧融或磨合将两根光纤的一部 分靠得很近，在此，可以由光学隧分靠得很近，在此，可以由光学隧 道效应实现耦合。道效应实现耦合。 图光耦合与光通讯 从光源传入光纤段的光，在耦合器一分为二，一路沿，一路沿从光源传入光纤段的光，在耦合器一

7、分为二，一路沿，一路沿C， 这两路光在光纤端面被反射，这两路反射光经耦合器合光进入段，这两路光在光纤端面被反射，这两路反射光经耦合器合光进入段， 由光电探测器接收，即由光电探测器接收，即，两段的光程差决定了光电探测器的信号，两段的光程差决定了光电探测器的信号 强度强度。现在若把录音机或收音机输出的音频信号电压加到压电陶瓷上，。现在若把录音机或收音机输出的音频信号电压加到压电陶瓷上， 电信号就变成了压电陶瓷的机械振动，引起段光程，即、两段电信号就变成了压电陶瓷的机械振动，引起段光程，即、两段 的光程差发生变化，使音频信号载于光波之上，光探测器接收的干涉的光程差发生变化，使音频信号载于光波之上，光

8、探测器接收的干涉 信号也就随音频而变化。再把这信号放大推动扬声器，便完成了声音信号也就随音频而变化。再把这信号放大推动扬声器，便完成了声音 从光纤的一端到另一端的传递。从光纤的一端到另一端的传递。 光纤耦合器起到迈克逊干涉仪中分光纤耦合器起到迈克逊干涉仪中分 束器的作用束器的作用，在这里实现分光和合光在这里实现分光和合光， 其中一根光纤缠绕在圆柱形压电陶瓷其中一根光纤缠绕在圆柱形压电陶瓷 上、上、压电陶瓷的径向伸缩可改变光纤压电陶瓷的径向伸缩可改变光纤 的长度，相当迈克逊干涉仪中反射镜的长度，相当迈克逊干涉仪中反射镜 的移动，起到了改变光程的作用。的移动，起到了改变光程的作用。 光纤器件有体积

9、小、重量轻、光纤器件有体积小、重量轻、 宽频带、容量大等优点，正在军宽频带、容量大等优点，正在军 事和高新技术中越来越受到重视。事和高新技术中越来越受到重视。 新近，利用光隧道效应原理发展新近，利用光隧道效应原理发展 了一种探侧表面形貌的激光光隧了一种探侧表面形貌的激光光隧 道显微镜。由图（）可道显微镜。由图（）可 见，消逝波的等幅面包含表面形见，消逝波的等幅面包含表面形 貌信息，貌信息，用一根光导纤维做成的用一根光导纤维做成的 探针，扫描等幅面，就可得知表探针，扫描等幅面，就可得知表 面面“地形地形”，因为光隧道效应，因为光隧道效应， 光纤探针所到处的全反射受到抑光纤探针所到处的全反射受到抑

10、 制，有光隧穿进入光纤的光可由制，有光隧穿进入光纤的光可由 光电探测器检测。图光电探测器检测。图5表明表明 激光光隧道显微镜的示意方块图，激光光隧道显微镜的示意方块图， 激光束打在样品表面，形成消逝激光束打在样品表面，形成消逝 场，场， 图光隧道显微镜示意图 在压电陶瓷扫描控制系统的控制下，让光纤探头对消逝场作等场强在压电陶瓷扫描控制系统的控制下，让光纤探头对消逝场作等场强 （等幅面）扫描，根据光电倍增管反馈回的信号，在扫描，时。（等幅面）扫描，根据光电倍增管反馈回的信号，在扫描，时。 调节探针的高度，使光电倍增管的信号在扫描中保持在一个给定的调节探针的高度，使光电倍增管的信号在扫描中保持在一

11、个给定的 值，提取、位置对应的，经图象处理和显示系统就可看到样品值，提取、位置对应的，经图象处理和显示系统就可看到样品 表面的形貌图象。表面的形貌图象。 第二节弹光效应第二节弹光效应 1816年年Sir Davld Brewstet 发发 现现透明的各向同性物质会由于应透明的各向同性物质会由于应 力而出现光学各向异性力而出现光学各向异性，原来不原来不 具双折射的各向同性物质表露出具双折射的各向同性物质表露出 力致双折射的现象，称为弹光效力致双折射的现象，称为弹光效 应应（photoclasticity）。）。 图66弹光效应 如图如图6（a）所示，将试样放在两个光轴互相垂直的偏振片之间，）所示

12、，将试样放在两个光轴互相垂直的偏振片之间， 自然光通过偏振片成为偏振光照射在试样上，当对试样加压，在自然光通过偏振片成为偏振光照射在试样上，当对试样加压，在 偏振片之后便可观察到彩色干涉条纹。这是因为加压后，试样成偏振片之后便可观察到彩色干涉条纹。这是因为加压后，试样成 了人为双折射物质，光轴如图中虚线所示。平行主截面（了人为双折射物质，光轴如图中虚线所示。平行主截面（e光一非常光一非常 光）的光振动和垂直主截面（光）的光振动和垂直主截面（o光一寻常光）的光振动的传播速度，光一寻常光）的光振动的传播速度， 或试样对二者表现的折射率不同或试样对二者表现的折射率不同,e光、光、o 光折射率之差与压

13、强光折射率之差与压强P的关的关 系为：系为：式中式中K为比例系数。为比例系数。 各向同性的透明材料，在压力或各向同性的透明材料，在压力或 拉力作用下好似成了负的或正的拉力作用下好似成了负的或正的 单轴晶体，光轴处于应力方位，单轴晶体，光轴处于应力方位， 诱导出的双折射效应正比于应力。诱导出的双折射效应正比于应力。 弹光效应弹光效应 压强造成试样内部的应力，应力的存在，改变了材料的光学性质。压强造成试样内部的应力，应力的存在，改变了材料的光学性质。 不是所有物质都有明显的弹光效应，环氧树脂，玻璃，赛璐璐等不是所有物质都有明显的弹光效应，环氧树脂，玻璃，赛璐璐等 为弹光敏感物质。为弹光敏感物质。

14、弹光效应提供了研究机械零件，建筑构件内部应力分布的一个弹光效应提供了研究机械零件，建筑构件内部应力分布的一个 有力方法，在材料力学测试领域构成了光弹技术，实现这种技术有力方法，在材料力学测试领域构成了光弹技术，实现这种技术 的方法是用环氧树脂仿照实物制作一个缩小的模型，按实际运行的方法是用环氧树脂仿照实物制作一个缩小的模型，按实际运行 中受力情况对模型施加外力，象图中受力情况对模型施加外力，象图(b)那样将模型置于两个那样将模型置于两个 光轴互相垂直的偏振片之间，通过偏振片光轴互相垂直的偏振片之间，通过偏振片2就可观察到如图就可观察到如图 (C) 所示的干涉条纹，偏光干涉条纹的分布反映了试样中

15、应力的分所示的干涉条纹，偏光干涉条纹的分布反映了试样中应力的分 布。条纹密集的地方应力大，稀疏之处应力小布。条纹密集的地方应力大，稀疏之处应力小 ，依此可对应力分，依此可对应力分 布作定性了解，随着光弹技术与激光技术的结合，采用激光作光布作定性了解，随着光弹技术与激光技术的结合，采用激光作光 源发展出基于二次曝光的全息光弹技术，使光弹技术更趋完美。源发展出基于二次曝光的全息光弹技术，使光弹技术更趋完美。 有些材料如玻璃，由于加工制造，内部会存在内应力，纵使不有些材料如玻璃，由于加工制造，内部会存在内应力，纵使不 施加外力力，也能观察到偏光干涉条纹，因此弹光效应也可用来施加外力力，也能观察到偏光

16、干涉条纹，因此弹光效应也可用来 检查玻璃器件（如透镜）中是否存主内应力。检查玻璃器件（如透镜）中是否存主内应力。 第三节激光致冷和第三节激光致冷和“光镊光镊”效应效应 激光致冷的设想是激光致冷的设想是Theodor Hansch和和Arthur Schawlow于于 首先提出来的，它是首先提出来的，它是利利 用激光的辐射压力阻尼中性气体用激光的辐射压力阻尼中性气体 原子热运动达到降低温度的原子热运动达到降低温度的。如。如 图图6-7所示，在激光致冷实验中，所示，在激光致冷实验中， 原子射束中的原子，使反向传播原子射束中的原子，使反向传播 的激光束中的光子发生共振散射，的激光束中的光子发生共振散

17、射， 原子速度便减慢下来。原子速度便减慢下来。 图6-7激光束对原子产生的散射力散 光于被原子共振散射光于被原子共振散射,可分成两步来考虑可分成两步来考虑:原子吸收光子和原子发射光子原子吸收光子和原子发射光子， 在吸收光子的瞬间，原子在光子传播方向即原子运动的相反方向获得了动在吸收光子的瞬间，原子在光子传播方向即原子运动的相反方向获得了动 量增量，形成了对原子的阻力量增量，形成了对原子的阻力，在原子发射光子的瞬间，由于发射没有特在原子发射光子的瞬间，由于发射没有特 定的方向，向各个方向发射的几率相等，因此原子发射光子的平均冲力为定的方向，向各个方向发射的几率相等，因此原子发射光子的平均冲力为

18、零零。大量光子不断被吸收，原子获得一连串冲击阻力，由上可知，光子原。大量光子不断被吸收，原子获得一连串冲击阻力，由上可知，光子原 子共振散射的净效果是原子在运动的相反方向受到阻力，称为散射力。散子共振散射的净效果是原子在运动的相反方向受到阻力，称为散射力。散 射力大小比例于光子动量和散射速率（即单位时间内原子散射光子数目）。射力大小比例于光子动量和散射速率（即单位时间内原子散射光子数目）。 在共振散射时，散射力最大在共振散射时，散射力最大,随着原子速度减小随着原子速度减小,由于多普勒效应，共振由于多普勒效应，共振 散射条件得不到满足，阻尼效果变坏。为了在原子减慢下来时，仍保持大散射条件得不到满

19、足，阻尼效果变坏。为了在原子减慢下来时，仍保持大 的阻尼散射力，一个曾经用过的方法是调谐激光频率，以抵消多普勒频移。的阻尼散射力，一个曾经用过的方法是调谐激光频率，以抵消多普勒频移。 一个无需调谐光频率的方法是一个无需调谐光频率的方法是采用两束反向传播的激光照射中性原子采用两束反向传播的激光照射中性原子， 一束与中性原子运动方向相反，一束与中性原子运动方向相同。由于多晋一束与中性原子运动方向相反，一束与中性原子运动方向相同。由于多晋 勒效应，勒效应，中性原子感受到反向传播的光束其频率升高，而同向光束频率降中性原子感受到反向传播的光束其频率升高，而同向光束频率降 低低。对于前者，光子的散射几率较

20、大，所以。对于前者，光子的散射几率较大，所以二者的总效果仍然是在与中性二者的总效果仍然是在与中性 粒子运动的相反方向产生散射力粒子运动的相反方向产生散射力。为了使中性原于的三维运动受到阻尼，。为了使中性原于的三维运动受到阻尼， 需使用三组互相垂直的反向传播的激光束照射中性原子需使用三组互相垂直的反向传播的激光束照射中性原子,这样这样,中性原子各中性原子各 方位的热运动被减慢而冷却，即方位的热运动被减慢而冷却，即激光致冷原理激光致冷原理。 利用激光冷却原子或离子，使速度减慢甚至静止，用激光已可冷却到利用激光冷却原子或离子，使速度减慢甚至静止，用激光已可冷却到 “毫升毫升”的范围，新近已用激光使一

21、束钠原子实际上达到了静止状态。的范围，新近已用激光使一束钠原子实际上达到了静止状态。激激 光致冷的主要动机是要消除发光原子一级多普勒频移和二级多普勒频移光致冷的主要动机是要消除发光原子一级多普勒频移和二级多普勒频移 （对后者，频移与粒子动能成正比），以（对后者，频移与粒子动能成正比），以建立更好的频率标准建立更好的频率标准，已有人建，已有人建 议将光学频标作为下一代原子钟的候选者。频标对计时、导航和精密计量议将光学频标作为下一代原子钟的候选者。频标对计时、导航和精密计量 极为重要。极为重要。 如果使光束的光强形成一定的分布如果使光束的光强形成一定的分布（如高斯型的光强分布），（如高斯型的光强分

22、布），光场从光场从 中性粒子诱导的偶极子将趋于移到局部光强极大处中性粒子诱导的偶极子将趋于移到局部光强极大处，这样一个光束的中心这样一个光束的中心 线好象一个中性粒于的线好象一个中性粒于的“陷阱陷阱”，能抓住或陷入冷却的中性粒子，能抓住或陷入冷却的中性粒子，使之随使之随 着光束的移动而移动，这光束象一把镊于着光束的移动而移动，这光束象一把镊于，这现象称为，这现象称为“光镊光镊”效应效应。 利用激光的利用激光的“光镊光镊”效应可以捕获并操纵中性粒子，效应可以捕获并操纵中性粒子，“光镊光镊”技术在细技术在细 胞、线粒体和染色体等三个不同生物学层次的研究中有重要的应用，己有胞、线粒体和染色体等三个不

23、同生物学层次的研究中有重要的应用，己有 人利用人利用“光镊光镊”于将单个于将单个DNA分子拉直，观察微生物在光镊中的运动等。分子拉直，观察微生物在光镊中的运动等。 第四节麦克斯韦瓦格纳效应第四节麦克斯韦瓦格纳效应 设想电容器的两个极板间设想电容器的两个极板间填满介电常数填满介电常数 和电 和电 导率导率 i不同的不均匀物质 不同的不均匀物质，当施加阶跃电压，当施加阶跃电压 时，在开始瞬间，电势分布仅决定于介电常数时，在开始瞬间，电势分布仅决定于介电常数 的分布，与电导率 的分布，与电导率 i（或电阻率 （或电阻率 1/ i） ） 无关。但电势的稳定分布仅决定于电阻率无关。但电势的稳定分布仅决定

24、于电阻率 的 的 分布。这里是按非常理想的情况，忽略不同介质分布。这里是按非常理想的情况，忽略不同介质 边界上电荷积累的影响考虑的。边界上电荷积累的影响考虑的。 这种非均匀介电常数短时间（或高频）的这种非均匀介电常数短时间（或高频）的“电电 容性容性”电压分布，演变为非均匀电阻率的长时间电压分布，演变为非均匀电阻率的长时间 （或低频）的电阻性电压分布的弛豫现象（或低频）的电阻性电压分布的弛豫现象，称为，称为麦麦 克斯韦瓦格纳效应克斯韦瓦格纳效应。 麦克斯韦瓦格纳效应麦克斯韦瓦格纳效应 可以通过分析如图可以通过分析如图6-8所示的双所示的双 层结构来理解这个效应层结构来理解这个效应,图图(a)

25、表示表示 介电常数和电导率分别为介电常数和电导率分别为 、 、 和 和 、 、 的双层结构，图 的双层结构，图 （b）表示它的等效电路。如果给）表示它的等效电路。如果给 图图(b) 电路加一电路加一阶跃电压阶跃电压, 这阶跃这阶跃 电压的电压的前沿突变部分对应着高频前沿突变部分对应着高频 分量分量，平顶恒定部分对应低频或平顶恒定部分对应低频或 直流分量直流分量，电容对高频分量显示，电容对高频分量显示 低阻抗，对低频分量显示高阻抗，低阻抗，对低频分量显示高阻抗， 对直流分量相当无穷大阻抗。对直流分量相当无穷大阻抗。 图双层电容和它的等效电路 阶跃的起始时刻（高频作用），电容阶跃的起始时刻（高频作

26、用），电容C阻抗小，相对来说，电阻可看成断阻抗小，相对来说，电阻可看成断 路，因此电压按电容分布，当长时稳定后（直流作用）与电阻相比，电容路，因此电压按电容分布，当长时稳定后（直流作用）与电阻相比，电容 可以看成断路，电压按电阻分布，可以看成断路，电压按电阻分布，由电压按电容分布转变为电压按电阻分由电压按电容分布转变为电压按电阻分 布，这会有一个过渡（弛豫）过程布，这会有一个过渡（弛豫）过程，这可以依欧姆定律列出微分方程来求，这可以依欧姆定律列出微分方程来求 解电压分布的时间变化。对于解电压分布的时间变化。对于 、 、 混杂分布的介质，可以想象成一 混杂分布的介质，可以想象成一 个复杂阻容网络

27、，在复杂网络某两点之间接入驱动电压，然后探测各点的个复杂阻容网络，在复杂网络某两点之间接入驱动电压，然后探测各点的 电势分布，电势的分布与阻容（电势分布，电势的分布与阻容（ 、 、 ）分布相关联。利用这个道理 ）分布相关联。利用这个道理 可以获取材料的电阻抗的可以获取材料的电阻抗的“像像”，以确定不均匀系统的局域状况，这种技，以确定不均匀系统的局域状况，这种技 术已经成功地在生物系统和医疗中得到应用，可以形成类似术已经成功地在生物系统和医疗中得到应用，可以形成类似CT一样的断一样的断 层照片。层照片。 第五节卡斯米尔效应第五节卡斯米尔效应 什么是真空？真空词容易使人想到一无所有。可能还什么是真

28、空？真空词容易使人想到一无所有。可能还 有人保待着有人保待着7世记智者的观念认为创造一个真空就是世记智者的观念认为创造一个真空就是 将其中的将其中的物质掏空物质掏空，特别是要把，特别是要把气体抽走气体抽走。到世。到世 纪末纪末2世纪初，人们了解了热辐射，世纪初，人们了解了热辐射， 于是觉得于是觉得17世世 纪的真空观念中，原来也不是一无所有，里面还有纪的真空观念中，原来也不是一无所有，里面还有热热 辐射辐射呢。自然有人想到热辐射是可以通过降低温度来呢。自然有人想到热辐射是可以通过降低温度来 减弱的，减到绝对零度热辐射便被彻底消除了。达到减弱的，减到绝对零度热辐射便被彻底消除了。达到 绝对零度是

29、否达到了真正的真空？绝对零度是否达到了真正的真空？ 1948年荷兰菲利普研究所的卡斯米尔做年荷兰菲利普研究所的卡斯米尔做 实验、研究靠得很近的金属板之间的力。当然，板上实验、研究靠得很近的金属板之间的力。当然，板上 若带正负电荷若带正负电荷q，近似成无限平板，根据静电学可以预，近似成无限平板，根据静电学可以预 见它们之间的相互吸引力为见它们之间的相互吸引力为q2 / 2 0S (S为平板为平板 面积面积)，这已作为习题，这已作为习题 编人了许多大学物理教科书中，编人了许多大学物理教科书中， 卡斯米尔实验和分析的不是这种带电的情形。卡斯米尔实验和分析的不是这种带电的情形。 不带电的两块金属板，不

30、带电的两块金属板，相距很近时会产生一种相互相距很近时会产生一种相互 吸引的力，这称为卡斯米尔效应。吸引的力，这称为卡斯米尔效应。 卡斯米尔效应卡斯米尔效应 设想空间设想空间没有任何气体分于没有任何气体分于，但，但 存在存在热辐射热辐射，每块板的两面都，每块板的两面都受到电受到电 磁波的撞击磁波的撞击（反射波、入射波形（反射波、入射波形成如成如 图（图（b）的驻波）的驻波），力趋于抵），力趋于抵 消，但不是完全抵消，还有一部分抵消，但不是完全抵消，还有一部分抵 消不了的残余力，这力与板面积成正消不了的残余力，这力与板面积成正 比，还决定干两板之间的距离和电磁比，还决定干两板之间的距离和电磁 辐射

31、的能谱，方向趋于使两板靠近。辐射的能谱，方向趋于使两板靠近。 图（）表明电磁波反射形成图（）表明电磁波反射形成 驻波的示意，在两板之外的空间，各驻波的示意，在两板之外的空间，各 种波长的驻波都可形成，种波长的驻波都可形成，而两板之间而两板之间 垂直板面的方位垂直板面的方位 2 的电磁波的电磁波 不能形成驻波不能形成驻波，对一块板来说，明显对一块板来说，明显 地出现了不平衡地出现了不平衡。热辐射在温度降至。热辐射在温度降至 0 K使消失，因此在使消失，因此在0 K下，两下，两 板的吸力应消除，但实验否定了这一板的吸力应消除，但实验否定了这一 预言。预言。 卡斯米尔效应卡斯米尔效应 1958年荷兰

32、物理学家年荷兰物理学家M.J.Sparnaay在卡斯米尔设想下进行了一系列实验，发在卡斯米尔设想下进行了一系列实验，发 现温度降到极低，力也不趋于零，纵使现温度降到极低，力也不趋于零，纵使0K，这残余力仍存在，且查清这力与，这残余力仍存在，且查清这力与 板面积成正比，与两板间距离的四次方成反比，比例常数为板面积成正比，与两板间距离的四次方成反比，比例常数为1.3X10-18尔格尔格厘米。厘米。 当面积为当面积为 相距 相距0.5m，两板间的卡斯米尔力相当于，两板间的卡斯米尔力相当于0.2毫克力。毫克力。 这就说明，这就说明，纵使纵使0K，真空也不是一无所有，仍然存在电磁辐射场，真空也不是一无所

33、有，仍然存在电磁辐射场, 这辐射称这辐射称 为零点辐射为零点辐射。正是这种辐射场形成了。正是这种辐射场形成了Sparnaay 所测量到的两板吸引力。所测量到的两板吸引力。 真空似空非空，纵使空间不存在实物，也不存在热辐射，那空间仍存在零点真空似空非空，纵使空间不存在实物，也不存在热辐射，那空间仍存在零点 电磁辐射场，它是真空固有的特征，是目前还无法消除的。电磁辐射场，它是真空固有的特征，是目前还无法消除的。 卡斯米尔实验中测得的卡斯米尔实验中测得的力有两个分量力有两个分量，一是热辐射产生的力，它正比于温度，一是热辐射产生的力，它正比于温度， 反比于两板间距离的三次方，这个力到反比于两板间距离的

34、三次方，这个力到0K时消失时消失；另一个分量是零点电磁场另一个分量是零点电磁场 产生的，它与温度无关，与两板间距离的四次方成反比。产生的，它与温度无关，与两板间距离的四次方成反比。 零点辐射有什么特点？零点辐射有什么特点？它应该是空间均匀、各向同性的、零点辐射能谱应与它应该是空间均匀、各向同性的、零点辐射能谱应与 观察者速度无关观察者速度无关。为了保持洛仑兹变换下的能谱不变性，任意频率的辐射强度。为了保持洛仑兹变换下的能谱不变性，任意频率的辐射强度 应与频率的三次方成正比，比例常数为普朗克常数之半，即应与频率的三次方成正比，比例常数为普朗克常数之半，即3.3x10-27尔格尔格秒，秒， 只有这

35、样才能只有这样才能使频率随观察者速度的变化（多普勒效应）与强度随观察者速度使频率随观察者速度的变化（多普勒效应）与强度随观察者速度 的变化相抵偿，而使频谱与观察者速度无关的变化相抵偿，而使频谱与观察者速度无关。 卡斯米尔和卡斯米尔和Sparnaay的实验表明零点电磁场的存在。对零点场正在探索中的实验表明零点电磁场的存在。对零点场正在探索中, 随随 机电动力学是探讨零点场的理论之一。机电动力学是探讨零点场的理论之一。 第六节第六节 同位素效应与激光同位素分离同位素效应与激光同位素分离 原子核中质于数相同、中子数不同、处于元素周期表中同一位置原子核中质于数相同、中子数不同、处于元素周期表中同一位置

36、 的原子谓之同位素的原子谓之同位素。或者说是同一元素的不同原子，它是。或者说是同一元素的不同原子，它是1910年年 索迪根据放射性的实验事实发现的，并因此于索迪根据放射性的实验事实发现的，并因此于1921年获得了诺贝年获得了诺贝 尔化学奖。尔化学奖。 每种元素的同位素数目不同，有的具有每种元素的同位素数目不同，有的具有3种、种、4种、甚至种、甚至10种同位种同位 素。（如锡）也有仅素。（如锡）也有仅1种原子的元素。种原子的元素。(如铍如铍)。最普通的氢元素有。最普通的氢元素有3 种同位素，分别为氕种同位素，分别为氕(氢氢)、氘、氘(重氢重氢)、氚、氚(超重氢超重氢)，氕与氧生成普，氕与氧生成普

37、 通水（通水（H2O），氘与氧气生成重水（），氘与氧气生成重水（HDO，H2O）。铀有）。铀有 、 、 、 、 三种同位素。 三种同位素。 同位素的主要差别表现在核性质上同位素的主要差别表现在核性质上，原子核的体积大小，核电荷原子核的体积大小，核电荷 的分布是不同的的分布是不同的. 核性质差别首先表现在放射性上。核性质差别首先表现在放射性上。 如如(铀铀)的三种同位素中的三种同位素中,U235在热中子和慢中子作用下会发生裂在热中子和慢中子作用下会发生裂 变反应；变反应；U238仅在快中子作用下才发生裂变反应；仅在快中子作用下才发生裂变反应；U234无论在什么无论在什么 情况下也不发生裂变。硼的

38、两种同位素中，情况下也不发生裂变。硼的两种同位素中，10能有效地吸收热中能有效地吸收热中 子，而子，而B11不具这种特性，故不具这种特性，故B10可做核反应堆的控制捧材料。可做核反应堆的控制捧材料。 同位素效应与激光同位素分离同位素效应与激光同位素分离 然而，同种元素的同位素的物理化学性质却很相似。然而，同种元素的同位素的物理化学性质却很相似。 通常同种元素的同位素混合在一起参与化学反应和物通常同种元素的同位素混合在一起参与化学反应和物 理变化，如水在一个大气压下于理变化，如水在一个大气压下于C沸腾，人沸腾，人 们几乎未能感受到含量极微的重水对沸点的影响；同们几乎未能感受到含量极微的重水对沸点

39、的影响；同 位素的化学性质也基本相同，在低分辩率的光谱仪中，位素的化学性质也基本相同，在低分辩率的光谱仪中， 它们的光谱特性大致相同，倘若采用足以看清光谱超它们的光谱特性大致相同，倘若采用足以看清光谱超 精细结构的高分辩率光谱仪，同种元素的同位素的光精细结构的高分辩率光谱仪，同种元素的同位素的光 谱位移和差别就可展现在眼前。谱位移和差别就可展现在眼前。 这种这种同位素光谱频率的微小位移同位素光谱频率的微小位移，称为同位素效应。，称为同位素效应。 同位素频谱的位移是由于核质量、核体积和核电荷分布同位素频谱的位移是由于核质量、核体积和核电荷分布 的不同所致。通过分析研究，质量引起的位移效应和体的不

40、同所致。通过分析研究，质量引起的位移效应和体 积引起的位移效应正好相反。积引起的位移效应正好相反。 同位素效应与激光同位素分离同位素效应与激光同位素分离 相对位移相对位移 / 1 / M2（M为原子核质量），对中子数小于为原子核质量），对中子数小于 的轻元素，同位素频移主要来自于质量效应；对中于数大于的轻元素，同位素频移主要来自于质量效应；对中于数大于 的重元素，同位素效应主要来自体积因素。同种元素同位素光谱有的重元素，同位素效应主要来自体积因素。同种元素同位素光谱有 位移，说明同位素的能级结构有差别。位移，说明同位素的能级结构有差别。 同位素的应用极为广泛，可以用作核燃料，如铀同位素的应用极

41、为广泛，可以用作核燃料，如铀 ，钚 ，钚 等是 等是 用于原子弹和核反应堆的重要核燃料，氘、氚是核聚变的重要燃料，用于原子弹和核反应堆的重要核燃料，氘、氚是核聚变的重要燃料， 同位素在能源舞台扮演着重要角色。放射性同位素，可以作为同位素在能源舞台扮演着重要角色。放射性同位素，可以作为“示示 踪原子踪原子”探索复杂、微妙的物理化学过程和有机体中的新陈代；医探索复杂、微妙的物理化学过程和有机体中的新陈代；医 学上可以用同位素进行诊断和治疗，以及药理生理研究，总之，学上可以用同位素进行诊断和治疗，以及药理生理研究，总之， 同位素已广泛用于工、农，医、科学研究的各个方面。同位素已广泛用于工、农，医、科

42、学研究的各个方面。 同位素有如此广泛的应用，从混合物中分离出同位素就显得特别重同位素有如此广泛的应用，从混合物中分离出同位素就显得特别重 要。历史上，人们曾采用过多种方法来分离同位素，如电磁分离法、要。历史上，人们曾采用过多种方法来分离同位素，如电磁分离法、 气体扩散法、气体离心法，化学交换法等。电磁分离法是将同位素气体扩散法、气体离心法，化学交换法等。电磁分离法是将同位素 高温汽化并电离，然后通过一个磁场区，利用洛论兹力，使质量不高温汽化并电离，然后通过一个磁场区，利用洛论兹力，使质量不 同的同位素分离，与通常所说的质谱仪的原理一样；气体扩散法是同的同位素分离，与通常所说的质谱仪的原理一样；

43、气体扩散法是 让气体通过多级多孔膜进行扩散，跑在最前面的是那些质量小的同让气体通过多级多孔膜进行扩散，跑在最前面的是那些质量小的同 位素。位素。 图激光同位素分离 随着单色性好、强度极高随着单色性好、强度极高 的激光的出现，兴起了一种的激光的出现，兴起了一种 新的同位素分离方法一激新的同位素分离方法一激 光同位素分离。它依据的就光同位素分离。它依据的就 是同位素效应，循同位素原是同位素效应，循同位素原 子光谱或同位素化合物的分子光谱或同位素化合物的分 子光谱上的差别或频移，利子光谱上的差别或频移，利 用激光的高度单色性、高强用激光的高度单色性、高强 度和频率可调，将同位素混度和频率可调，将同位

44、素混 合物中感兴趣的某种同位素合物中感兴趣的某种同位素 激发到高能级激发态，而其它同位素未受激发，利用受激同位素原子激发到高能级激发态，而其它同位素未受激发，利用受激同位素原子(或或 分子）与未受激同位素在物理或化学性质上的不同，再采用适当的物理或分子）与未受激同位素在物理或化学性质上的不同，再采用适当的物理或 化学方法将它们分离化学方法将它们分离,其方法有光电离法、光压法、光化学法等其方法有光电离法、光压法、光化学法等.图图-10(a) 表明了两种同位素的能级位移，实线代表一种同位素的基态、激发态和电表明了两种同位素的能级位移，实线代表一种同位素的基态、激发态和电 离态能级，虚线代表另一种同

45、位素的对应能级。用一束单色性极好、频率离态能级，虚线代表另一种同位素的对应能级。用一束单色性极好、频率 为为 的激光 的激光,照射同位素混合气照射同位素混合气,由于光子的单色性，仅使由于光子的单色性，仅使 的那种同位素共振跃迁到激发态，其它同位素仍处于基态。处于激 的那种同位素共振跃迁到激发态，其它同位素仍处于基态。处于激 发态的同位素容易电离，若再以另一频率为发态的同位素容易电离，若再以另一频率为 的激光照射，处于激发态 的激光照射，处于激发态 的同位素便电离成正离子，具有负高压的收集极便可将正离子收集，以达的同位素便电离成正离子，具有负高压的收集极便可将正离子收集，以达 分离目的，这就是光

46、电离法的原理，图分离目的，这就是光电离法的原理，图-10(b)示意地表明了这一过程。示意地表明了这一过程。 同位素效应与激光同位素分离同位素效应与激光同位素分离 图表明了激光 光压法分离同位素的过程。 图光压法图光压法 从原子炉中蒸发出来的从原子炉中蒸发出来的 原子束，受到垂直方向射原子束，受到垂直方向射 来的激光照射，使其中的来的激光照射，使其中的 一种同位素处于共振激发一种同位素处于共振激发 态，并受到光压力态，并受到光压力,从而发从而发 生偏折而被分离出来。生偏折而被分离出来。 激光同位素分离获得重视， 那是因为它较常规分离法 有分离系数高的优点。 第七节正、负电湮灭效应第七节正、负电湮

47、灭效应 由薛定谔方程描绘的非相对论量子理论臻于完善以后，由薛定谔方程描绘的非相对论量子理论臻于完善以后， 物理学家们谋划着把物理学家们谋划着把20世纪两个重要的理论量子论和世纪两个重要的理论量子论和 相对论统一起来。相对论统一起来。1928年著名的理论物理学家保罗年著名的理论物理学家保罗狄拉狄拉 克首先提出了服从相对性原理的电子波动方程（后人称克首先提出了服从相对性原理的电子波动方程（后人称 为狄拉克方程）。这方程成功地得出了相对论电子定有为狄拉克方程）。这方程成功地得出了相对论电子定有 自旋，但奇怪的是狄拉克方程还出现了负能解，狄拉克自旋，但奇怪的是狄拉克方程还出现了负能解，狄拉克 没有把它

48、看作没有意义而抛弃掉。相反没有把它看作没有意义而抛弃掉。相反,他提出了各种假他提出了各种假 设设,追逐负能解的内涵追逐负能解的内涵,最后预示自然界有正电子存在。最后预示自然界有正电子存在。 1932年年8月月20日安德森从威尔逊云雾室的宇宙日安德森从威尔逊云雾室的宇宙 射线径迹照片中，发现了正电子的行踪，终于证实了狄射线径迹照片中，发现了正电子的行踪，终于证实了狄 拉克的预见，窥视到了第一个反粒子。正电子有与电子拉克的预见，窥视到了第一个反粒子。正电子有与电子 相同的质量和自旋，自旋也为相同的质量和自旋，自旋也为1/2，它的电量和磁矩大小，它的电量和磁矩大小 也与电子相同，只是符号相反。也与电

49、子相同，只是符号相反。 正电子不象电子那样易于为人们观察到，那是因为它在物质中的正电子不象电子那样易于为人们观察到，那是因为它在物质中的 寿命太短，真是寿命太短，真是“匆匆湮灭世间匆匆湮灭世间”，当一个正电子和一个负电了，当一个正电子和一个负电了 相遇便会湮灭成了光子。正、负电子湮灭过程可表为相遇便会湮灭成了光子。正、负电子湮灭过程可表为 2 的整数，的整数， 最常见的是湮灭成最常见的是湮灭成2个或个或3个个 光子。在自由空间正负电子绝不会光子。在自由空间正负电子绝不会 湮灭成一个湮灭成一个 光子，因为这样的话，不能使能量守恒和动量守恒光子，因为这样的话，不能使能量守恒和动量守恒 都得到满足，

50、只有存在能吸收反冲动量的第三者时才有可能。显都得到满足，只有存在能吸收反冲动量的第三者时才有可能。显 然让正电子去撞击大块凝聚物能观察到正、负电子湮灭效应。问然让正电子去撞击大块凝聚物能观察到正、负电子湮灭效应。问 题是从哪里得到正电子？题是从哪里得到正电子？ 做正、负电于湮灭实验时，是用放射性同位素做正、负电于湮灭实验时，是用放射性同位素 Na、 、。 。 u、 等作为正电子发射源。进入凝聚物的正电子在和物质原 等作为正电子发射源。进入凝聚物的正电子在和物质原 子碰撞时，在约子碰撞时，在约Ps（皮秒）的极短时间内首先失去它的大部分（皮秒）的极短时间内首先失去它的大部分 动能。注入的平均射程在

51、动能。注入的平均射程在101000 m之间，变慢的正电子在物之间，变慢的正电子在物 质中漫游，最终与周围介质中的一个电子发生湮灭，在多数情况质中漫游，最终与周围介质中的一个电子发生湮灭，在多数情况 下变成了两个能量为下变成了两个能量为511keV的的 光子。正电子在物质中的平均寿光子。正电子在物质中的平均寿 命在命在100500 Ps间变化，平均寿命反映材料特征。对某些物质，间变化，平均寿命反映材料特征。对某些物质， 变慢的正电子也可俘获一个电子组成类氢变慢的正电子也可俘获一个电子组成类氢“原子原子”，称为电子偶，称为电子偶 素。素。 图（）表明图（）表明 正电子在凝聚物中湮灭实正电子在凝聚物

52、中湮灭实 验的大致过程。实验采用验的大致过程。实验采用 N作为正电子源，在射 作为正电子源，在射 出正电子的几个皮秒内，出正电子的几个皮秒内， Na核还放射一个能量为 核还放射一个能量为 MeV的的 光子，光子， 它可以作为起始信号。它可以作为起始信号。 图6-12 正、负电子湮灭 进入凝聚物的正电子与电子发生湮灭，转变成两个能进入凝聚物的正电子与电子发生湮灭，转变成两个能 量为量为511keV的的 光子。根据起始光子。根据起始 光子和湮灭光子和湮灭 光于之间光于之间 的时间延迟，就能测量正电子在材料中的寿命。在湮灭前，的时间延迟，就能测量正电子在材料中的寿命。在湮灭前， 电子一正电子对的动量

53、，转交给了湮灭后生成的电子一正电子对的动量，转交给了湮灭后生成的 光子，光子， 这个动量可以通过测量两个这个动量可以通过测量两个511keV光子的方向与共线的光子的方向与共线的 小偏角小偏角 检测出来（参看图（检测出来（参看图（b）。）。 正、负电湮灭效应正、负电湮灭效应 按照狄拉克对产生两个按照狄拉克对产生两个 光子的正、负电子湮灭过程的光子的正、负电子湮灭过程的 推导，可以得到单位时间内的湮灭几率或湮灭率为：推导，可以得到单位时间内的湮灭几率或湮灭率为： 它与正电子的速度无关，式中它与正电子的速度无关，式中 、 、C分别为经典电子半分别为经典电子半 径和光速，径和光速， 是正电子所在处的电

54、子密度。湮灭率的倒 是正电子所在处的电子密度。湮灭率的倒 数等于正电子的平均寿命数等于正电子的平均寿命 ，通过测量正电子在材料中通过测量正电子在材料中 的寿命便可检测到材料中的电子密度的寿命便可检测到材料中的电子密度 。 。 在实验室坐标系，正、负电子总动量不是零，而是如图在实验室坐标系，正、负电子总动量不是零，而是如图 （b）所示的（分解为横向分量）所示的（分解为横向分量 和纵向 和纵向 分量分量），因此湮灭后两个了光子运动的方向会偏离），因此湮灭后两个了光子运动的方向会偏离 共线共线 角，因角，因 很小很小 式中是正、负电子对的动量在垂直于光子发射方向式中是正、负电子对的动量在垂直于光子发

55、射方向 上的分量上的分量 正、负电湮灭效应正、负电湮灭效应 慢化的正电子动量近乎零，所以与偏角慢化的正电子动量近乎零，所以与偏角 关联关联 的是被湮灭的电子的动量，湮灭产生的的是被湮灭的电子的动量，湮灭产生的 光子光子 按角度按角度 的分布反映了材料中电子动量的分布，的分布反映了材料中电子动量的分布， 所以所以通过测量通过测量 光子按偏角光子按偏角 的分布可以探测的分布可以探测 材料中电子的动量分布材料中电子的动量分布。 正电子对固体中的点阵缺陷敏感正电子对固体中的点阵缺陷敏感，正电子会被，正电子会被 缺陷吸引和俘获，它倾向于寻找晶体中离子密缺陷吸引和俘获，它倾向于寻找晶体中离子密 度低于平均

56、值的那些区域。度低于平均值的那些区域。用正电子湮灭方法用正电子湮灭方法 研究凝聚物中缺陷浓度、组态和内部结构的兴研究凝聚物中缺陷浓度、组态和内部结构的兴 趣正急剧增长趣正急剧增长。 现在，正电子谱仪已作为商品出售，人们还在现在，正电子谱仪已作为商品出售，人们还在 努力发展正电子显微术。努力发展正电子显微术。 第八节第八节 同步辐射效应同步辐射效应 经典电动力学断言：经典电动力学断言： 带电粒子作加速运动便带电粒子作加速运动便 会辐射电磁波会辐射电磁波。当电子。当电子 作圆周运动，照理应辐作圆周运动，照理应辐 射电磁波或光波，射电磁波或光波，1947 年在同步加速器上首次年在同步加速器上首次 观

57、察到了这种光辐射。观察到了这种光辐射。 图同步辐射图同步辐射 如图所示，在电子同步加速器或电子存储环中，如图所示，在电子同步加速器或电子存储环中， 高能电子在强大磁场偏转力的作用下作圆周运动，发射高能电子在强大磁场偏转力的作用下作圆周运动，发射 很强的光辐射，称为很强的光辐射，称为同步辐射同步辐射。由于电磁辐射消耗掉被。由于电磁辐射消耗掉被 加速电子的能量，电子能量越高，辐射损耗越大，这就加速电子的能量，电子能量越高，辐射损耗越大，这就 限制了加速器中电子能量的提高，加速粒了来说，这效限制了加速器中电子能量的提高，加速粒了来说，这效 应是不利的。应是不利的。 同步辐射的可贵特点是：同步辐射的可

58、贵特点是： () 强度高、稳定性好。强度高、稳定性好。一个圆轨道上运动的电子发射光辐射，其辐射强一个圆轨道上运动的电子发射光辐射，其辐射强 度依赖于电子的能量度依赖于电子的能量E和轨道半径，辐射功率为和轨道半径，辐射功率为 第八节第八节 同步辐射效应同步辐射效应 1949年逊格耳（年逊格耳（Schwinger）从理论上计算了同步辐射的能耗，）从理论上计算了同步辐射的能耗， 能量按频率的分布和按角度的空间分布。能量按频率的分布和按角度的空间分布。1956年汤博林年汤博林 （Tomboulian）和哈特曼）和哈特曼(Hartman)对美国康奈尔大学一台对美国康奈尔大学一台300MeV 电子同步加速

59、器产生的同步辐射作了实验研究，测定了能谱分布和电子同步加速器产生的同步辐射作了实验研究，测定了能谱分布和 强度的角分布，发现同步辐射具有高强度、光谱范围宽、光强度角强度的角分布，发现同步辐射具有高强度、光谱范围宽、光强度角 分布窄，稳定性好等优点，这一探索为同步辐射的应用打开了广阔分布窄，稳定性好等优点，这一探索为同步辐射的应用打开了广阔 的前景的前景 P 2e2C （ E ）4 3R2m0C2 它的辐射强度与激光相当。式中它的辐射强度与激光相当。式中C为光速，为光速， 为电子静止质量，由于电子 为电子静止质量，由于电子 存储环中电了的能量可准确调节，所以同步辐射的稳定性好。在同步加速器存储环

60、中电了的能量可准确调节，所以同步辐射的稳定性好。在同步加速器 中，电子的加速是在加速区实现的，电子是一股一股册地间歇式地注入轨道，中，电子的加速是在加速区实现的，电子是一股一股册地间歇式地注入轨道， 轨道被成股的电子充满，所以观察者观察到一系列强而窄的光脉冲。轨道被成股的电子充满，所以观察者观察到一系列强而窄的光脉冲。 （）角分布窄。以接近光速做圆运动的电子，其光辐射（）角分布窄。以接近光速做圆运动的电子，其光辐射 几乎集中在以电子行进方向（轨道切线方向）为中心的细几乎集中在以电子行进方向（轨道切线方向）为中心的细 长光锤内，图中所示辐射的半角宽度：长光锤内，图中所示辐射的半角宽度： ， E5