第四章光的本性是什么？(LENOVO-PC--lenovo--2016-06-07-17,14,04)

1、第四章第四章 光的本性是什么？光的本性是什么？ 这这5050年的沉思，并没有使我更接近于什么是光量子年的沉思，并没有使我更接近于什么是光量子“光子光子”这个问题的解决。这个问题的解决。 爱因斯坦爱因斯坦19551955年临终前不久的话年临终前不久的话版权所有版权所有 复制必究复制必究高等教育出版社高等教育出版社人类对光学的研究早在两三千年前就初见端倪。人类对光学的研究早在两三千年前就初见端倪。墨经墨经中的光学中的光学 在在墨经墨经中还记载了丰富的几何光学知识。墨子中还记载了丰富的几何光学知识。墨子在当时就已知道光是沿直线传播的。墨子和他的学生做在当时就已知道光是沿直线传播的。墨子和他的学生做了

2、世界上最早的了世界上最早的“小孔成像小孔成像”实验，并对实验结果做出实验，并对实验结果做出了精辟的见解。了精辟的见解。 在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就会出现一个倒立的人里相对的墙上就会出现一个倒立的人影。为什么会这样呢？影。为什么会这样呢？ 墨经墨经中写道：中写道： “景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下。景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下。” 这句话的意思是：因为光线像射箭一样，是直线行这句话的意思是：因为光线像射箭一样，是直线行进的。人体下部挡住直射过来的光线，射过小孔，成

3、影进的。人体下部挡住直射过来的光线，射过小孔，成影在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在下边，就成倒立的影。这是对光沿直线传播的第一影在下边，就成倒立的影。这是对光沿直线传播的第一次科学解释。次科学解释。 墨经墨经中还利用光的直线传播原理解释了物体和中还利用光的直线传播原理解释了物体和投影的关系。投影的关系。 墨家认为，光被遮挡就产生投影，物体的投影并不墨家认为，光被遮挡就产生投影，物体的投影并不会跟随物体一起移动。飞翔的鸟儿，它的影子仿佛也在会跟随物体一起移动。飞翔的鸟儿，它的影子仿佛也在飞动着。实际上并不然。飞动着。实际上并不然

4、。 墨家指出飞鸟遮住了直线前进的光线，形成了影子。墨家指出飞鸟遮住了直线前进的光线，形成了影子。一瞬间后，飞鸟移动了位置，原来光线照不到的地方，一瞬间后，飞鸟移动了位置，原来光线照不到的地方，现在照到了，旧影就消失了，而在新的地方，出现了新现在照到了，旧影就消失了，而在新的地方，出现了新的影子。这就是说，鸟在飞翔中，它的影子并不跟着移的影子。这就是说，鸟在飞翔中，它的影子并不跟着移动，而是新旧投影不断更新。在两千多年前，能这样深动，而是新旧投影不断更新。在两千多年前，能这样深入细致的研究光的性质，解释影的动和不动的关系，是入细致的研究光的性质，解释影的动和不动的关系，是非常不容易的。非常不容易

5、的。 古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就有相当成就。在我国较为系统的论著可见北宋时期沈括有相当成就。在我国较为系统的论著可见北宋时期沈括的的梦溪笔谈梦溪笔谈。 光学学科的形成是从光学学科的形成是从17世纪开始的。世纪开始的。 春秋虎鸟阳燧，现藏于春秋虎鸟阳燧，现藏于 中国历史博物馆。中国历史博物馆。 宋阳燧镜。宽为宋阳燧镜。宽为9cm，带柄长，带柄长17cm。阳。阳燧面直径为燧面直径为6.1cm，边，边缘菱花形内有凤鸟纹。缘菱花形内有凤鸟纹。现仍然保留有部分银白现仍然保留有部分银白光层，仍可以起到聚光光层，仍可以起到聚光作用作用 。 本章主

6、要围绕对光的本性的认识展开。首先介绍牛本章主要围绕对光的本性的认识展开。首先介绍牛顿在光学上的贡献和他的微粒说，包括牛顿的研究方法。顿在光学上的贡献和他的微粒说，包括牛顿的研究方法。重点放在对光的波动说和光的波粒二象性的介绍。同时重点放在对光的波动说和光的波粒二象性的介绍。同时介绍一些常见的，有关波传播的物理效应以及光学的一介绍一些常见的，有关波传播的物理效应以及光学的一个突破性进展个突破性进展激光的发明极其应用。激光的发明极其应用。 4.1 4.1 光的微粒说光的微粒说一、牛顿对光的色散的研究 早在剑桥大学高年级时，通过三棱镜实验研究太阳早在剑桥大学高年级时，通过三棱镜实验研究太阳光的色散现

7、象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。牛顿的色散实验为折射率。牛顿的色散实验为光谱学的研究和发展开辟了光谱学的研究和发展开辟了道路，被美国道路，被美国物理学世界物理学世界评为历史上评为历史上“最美丽的十大物最美丽的十大物理实验理实验”之一。之一。 牛顿发明反射望远镜牛顿发明反射望远镜 牛顿在牛顿在光学光学一书中调调了自己从实验观察出发，一书中调调了自己从实验观察出发，进行归纳综合的研究方法，他说：进行归纳综合的研究方法，他说： “在自然科学里，应该像数学里一样，在研究困难在自然科学里，应该像数学里一样，在研究困难的事物时总是应当先用分析的

8、方法，然后才用综合的方的事物时总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法。这样的分析方法包括做实验和观察，用归纳法得出法。这样的分析方法包括做实验和观察，用归纳法得出普遍结论，并且不使这些结论遭到非议，除非这些异议普遍结论，并且不使这些结论遭到非议，除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理。来自实验或者其他可靠的真理。”二、牛顿的微粒说 牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。觉不到相继两个之间的时间间隔。微粒说微粒说 解释

9、光的反射解释光的反射 无法解释干涉，还出现合速度大于真空无法解释干涉，还出现合速度大于真空光速光速c的情况的情况 牛顿的微粒说是在什么指导思想下提出来的？牛顿的微粒说是在什么指导思想下提出来的？ 基于光的直线传播和他的自然哲学思想，牛顿在研基于光的直线传播和他的自然哲学思想，牛顿在研究力学时，他的基本对象是究力学时，他的基本对象是“质点质点”，研究化学时，他，研究化学时，他相信相信“原子说原子说”；加上微粒说简单、直观、方便应用；加上微粒说简单、直观、方便应用（在几何光学中）。所以站在自然哲学高度，牛顿认为（在几何光学中）。所以站在自然哲学高度，牛顿认为光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是

10、很自然的。光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然的。 在用微粒说解释光的折射时，他又用了机械论观点。在用微粒说解释光的折射时，他又用了机械论观点。他假定速度为光速的微粒进入介质时，在垂直界面方向他假定速度为光速的微粒进入介质时，在垂直界面方向受到一个吸引力，获得一个垂直界面的附加速度，此附受到一个吸引力，获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度与原来的速度相加的结果，合速度的方向向界面加速度与原来的速度相加的结果，合速度的方向向界面的法线靠拢，发生了折射。但是造成了合速度的大小将的法线靠拢，发生了折射。但是造成了合速度的大小将大于空气中的光速大于空气中的光速c。可见测量光在介质中的速度大

11、小将。可见测量光在介质中的速度大小将是微粒说正确与否的是微粒说正确与否的“试金石试金石”。可惜当时没有实验能。可惜当时没有实验能对此进行判断。对此进行判断。为什么光的微粒说能统治一百多年？为什么光的微粒说能统治一百多年？ 一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断微粒素是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。另一方微粒素是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。另一方面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社会面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社会上的影响，使得微粒说在一百多年内占统治地位。上的影响，使得微粒说在一百多年内占统治地位。 值得指出

12、，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光现象（如干涉）纯粹用微粒说无法解释。尤其在他认识现象（如干涉）纯粹用微粒说无法解释。尤其在他认识到了光的周期性后，促使他将微粒说与以太振动的思想到了光的周期性后，促使他将微粒说与以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。4.2 4.2 光的波动说光的波动说一、惠更斯的波动说 波面：波在传播过程中振动相位相同的点组成的面称波面：波在传播过程中振动相位相同的点组成的面称为波面。为波面。 波前：最前面的一个波面称为波前。波前：最前面的一个波面称为波前。惠更斯惠更斯 惠更斯在笛卡

13、儿、胡克等人的基惠更斯在笛卡儿、胡克等人的基础上提出了光是振动传播的假说。他础上提出了光是振动传播的假说。他认为认为“光是发光体中微小粒子的振动光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质（以太）中的传播过程。（以太）中的传播过程。”他称这种他称这种波为以太波。波为以太波。 惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。注意：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。注意：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。正由于被认为是纵波，所以对正由于被认为是纵波，所以对“偏振偏振”现象就无法解释现象就无

14、法解释了，加上了，加上“以太以太”是否存在还是一个疑问，而且初期的是否存在还是一个疑问，而且初期的波动说还缺乏数学基础，所以难以与微粒所抗衡。波动说还缺乏数学基础，所以难以与微粒所抗衡。横波中质元的振动方向横波中质元的振动方向与波的传播方向垂直与波的传播方向垂直 纵波中质元振动方向纵波中质元振动方向与波传播方向平行与波传播方向平行 惠更斯原理惠更斯原理 每一时刻的波前上各点都可看成是新的子波源，从每一时刻的波前上各点都可看成是新的子波源，从它们发出的各个球形子波在下一时刻的共同包络面就是它们发出的各个球形子波在下一时刻的共同包络面就是下一时刻的新波前。下一时刻的新波前。二、光的反射 用惠更斯原

15、理可以解释光的反射用惠更斯原理可以解释光的反射三、光的折射1 1折射的物理意义折射的物理意义 用惠更斯原理不仅可以解释光的折射，而且给出了用惠更斯原理不仅可以解释光的折射，而且给出了折射率的明确的物理意义。折射率的明确的物理意义。 同图可得到，折射率同图可得到，折射率其中其中是在真空中的入射角，是在真空中的入射角，是介质中的折射角，是介质中的折射角，v是介是介质中的光速质中的光速 。ncCAACvsinsin2光疏介质与光密介质光疏介质与光密介质通常对两种介质而言，通常对两种介质而言，光密介质光密介质：折射率较大的介质，光速较小。：折射率较大的介质，光速较小。光疏介质光疏介质：折射率较小的介质

16、，光速较大。：折射率较小的介质，光速较大。真空中，折射率真空中，折射率n=1，在真空中的光速，在真空中的光速c最大。最大。光从介质光从介质a以入射角以入射角a进入介质进入介质b，折射角为，折射角为b，则，则baabbabasinsinnnnvv折射率（对黄光）折射率（对黄光）介质介质空气空气（标准状况）（标准状况）水水光学光学玻璃玻璃水晶水晶（石英）（石英）岩盐岩盐（NaCl）冰冰金刚石金刚石折射率折射率n1.00031.331.521.671.541.541.312.42四、光的全反射全反射全反射：一束光从光密介质进入光疏介质，当入射角大于：一束光从光密介质进入光疏介质，当入射角大于某临界角

17、时，光将全部反射回来。某临界角时，光将全部反射回来。abcriarcsinnn)(bann 应用举例：光纤应用举例：光纤光纤照片光纤照片 会传像的光纤会传像的光纤 光纤光纤4.3 4.3 光的干涉、衍射和偏振光的干涉、衍射和偏振一、双缝干涉和薄膜干涉干涉条件干涉条件相同的频率相同的频率 有稳定的相位差有稳定的相位差 相同的振动方向相同的振动方向 双缝干涉双缝干涉双缝干涉条纹双缝干涉条纹用波的叠加原理，可以对干涉条纹作用波的叠加原理，可以对干涉条纹作出定量说明出定量说明 而因为而因为y0 当观察者背离声源运动时，取当观察者背离声源运动时，取vob0 当声源背离观察者运动时，取当声源背离观察者运动

18、时，取vs 0 表观频率表观频率为为3如两者一起运动，表观频率如两者一起运动，表观频率)(svVVV多普勒效应多普勒效应)(sobvvVV 4 4光学多普勒效应光学多普勒效应 改写为频率的改变量：改写为频率的改变量：在同样近似程度内，有在同样近似程度内，有或或两式统一为两式统一为)1 ()(obobcccvvcobv)1 (sscccvvcsvcv 请注意：以上只是观察者与光源的相对运动在它们请注意：以上只是观察者与光源的相对运动在它们的连线上的情况，称为纵向多普勒效应。第八章将介绍的连线上的情况，称为纵向多普勒效应。第八章将介绍横向多普勒效应。横向多普勒效应。 应用举例：雷达测速仪（测云层、

19、飞机、汽车等的应用举例：雷达测速仪（测云层、飞机、汽车等的速度）速度）雷达测速雷达测速例例1 1 设地面固定雷达站发出频率为设地面固定雷达站发出频率为 的雷达波，当波遇的雷达波，当波遇见飞行物（以速度见飞行物（以速度v迎面而来）被反射回来后，又被雷达迎面而来）被反射回来后，又被雷达站所接受时，其频率改变为站所接受时，其频率改变为 ，求其频率。，求其频率。解解 雷达波被（靠近的）飞行物反射可以视为先被飞行雷达波被（靠近的）飞行物反射可以视为先被飞行物接收，继而由飞行物再发射的两步过程。物接收，继而由飞行物再发射的两步过程。 第一步：飞行物接收到的雷达波的表观频率为第一步：飞行物接收到的雷达波的表

20、观频率为 第二步：飞行物将频率为第二步：飞行物将频率为 的波再发射（实际是反的波再发射（实际是反射）出来，被雷达站接收时，其频率又从射）出来，被雷达站接收时，其频率又从 升高到表观升高到表观频率频率 cv1可略去）因1(2111222 ccccvvvv于是总的频率增量等于：于是总的频率增量等于：例例2 2 气象上已广泛使用气象雷达，它常用的工作频率是气象上已广泛使用气象雷达，它常用的工作频率是 =2.7GHz，今若有一朵雨云以速度，今若有一朵雨云以速度v=28m/s向气象站飞向气象站飞来，问雷达测到的频率为多少？来，问雷达测到的频率为多少？解解可见测量精度已达到可见测量精度已达到 ，这样才保证

21、，这样才保证今天的气象预报有很高的准确性。今天的气象预报有很高的准确性。cv2 Hz500Hz107 . 2m/s103m/s282298cv79102Hz107 . 2Hz5004.6 4.6 玻尔公式玻尔公式 光的共振吸收光的共振吸收激光原理激光原理一、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。原子只能处于若干不连续的分立的能量状态，称为定态。2原子退激所放光子原子退激所放光子能量或共振吸收的光能量或共振吸收的光

22、子能量为子能量为这就是玻尔公式。这就是玻尔公式。hEE12二能级系统二能级系统二、爱因斯坦关于受激辐射的预言和激光的发明1 119171917年，爱因斯坦为了导出普朗克黑体辐射公式，首年，爱因斯坦为了导出普朗克黑体辐射公式，首先预言了先预言了“受激辐射受激辐射”过程。过程。 诱发光子的能量诱发光子的能量12EEhvh吸收前吸收前1E2E吸收后吸收后h受激辐射前受激辐射前1E2E受激辐射受激辐射受激吸收过程受激吸收过程受激辐射过程受激辐射过程hh2 2受激辐射光的特征受激辐射光的特征 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

23、了光的放大，有很好的应用和同样的相位。显然是实现了光的放大，有很好的应用前景。前景。3 获得激光的必要条件获得激光的必要条件 粒子数反转粒子数反转：使上能级：使上能级E2的原子数大大超过下能级的原子数大大超过下能级E1原子数。原子数。 激光的英文名字是激光的英文名字是Laser（镭射），也就是（镭射），也就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写。的缩写。 激光的意思是光受激辐射放大。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。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氦氖激光

24、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。激励源，实现光放大的谐振腔。三、激光冷却、玻色-爱因斯坦凝聚 20世纪世纪30年代，爱因斯坦曾提出一个著名的预见，年代，爱因斯坦曾提出一个著名的预见，当温度降低到原子的波长约等于原子的间距时，会有一当温度降低到原子的波长约等于原子的间距时，会有一个很特殊的情况发生：个很特殊的情况发生： 许多原子的行为开始变得一致，这意味着它们的相许多原子的行为开始变得一致，这意味着它们的相位、速度和任何状态都一模一样。位、速度和任何状态都一模一样。 这被称为玻色这被称为玻色-爱因斯

25、坦凝聚爱因斯坦凝聚 。在温度很低而密度很高的状态下，许多原子的行为将开始变得一致在温度很低而密度很高的状态下，许多原子的行为将开始变得一致xy用眼睛对着激光看，会被灼伤视网膜；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。激光还能切割、焊接金属。然而，激光也可以把原子冷却到非常低的温度！然而，激光也可以把原子冷却到非常低的温度！ 如何理解激光冷却？如何理解激光冷却？所谓激光冷却，就是在激光作用下使原子的速度降低。所谓激光冷却，就是在激光作用下使原子的速度降低。激光冷却与捕陷原子激光冷却与捕陷原子 获得低温是长期以来科学家所刻意追求的一种技术。获得低温是长期以来科学家所刻意追求的一种

26、技术。它不但给人类带来实惠，例如超导的发现与研究，而且它不但给人类带来实惠，例如超导的发现与研究，而且为研究物质的结构与性质创造了独特的条件。例如在低为研究物质的结构与性质创造了独特的条件。例如在低温下，分子、原子热运动的影响可以大大减弱，原子更温下，分子、原子热运动的影响可以大大减弱，原子更容易暴露出它们的容易暴露出它们的“本性本性”。以往低温多在固体或液体。以往低温多在固体或液体系统中实现，这些系统都包含着有较强的相互作用的大系统中实现，这些系统都包含着有较强的相互作用的大量粒子。量粒子。20世纪世纪80年代，借助于激光技术获得了中性气年代，借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温（例如，

27、体分子的极低温（例如，10-10K）状态，这种获得低温的）状态，这种获得低温的方法就叫激光冷却。方法就叫激光冷却。 实际上，原子的运动是三维的。实际上，原子的运动是三维的。1985年贝尔实验室年贝尔实验室的朱棣文小组就用三对方向相反的激光束分别沿的朱棣文小组就用三对方向相反的激光束分别沿x，y，z三个方向照射钠原子，在三个方向照射钠原子，在6束激光交汇处的钠原子团就被束激光交汇处的钠原子团就被冷却下来，温度达到了冷却下来，温度达到了240mK。 理论指出，多普勒冷却有一定限度（原因是入射光理论指出，多普勒冷却有一定限度（原因是入射光的谱线有一定的自然宽度），例如，利用波长为的谱线有一定的自然宽

28、度），例如，利用波长为589nm的黄光冷却钠原子的极限为的黄光冷却钠原子的极限为240mK，利用波长为，利用波长为852nm的红外光冷却铯原子的极限为的红外光冷却铯原子的极限为124mK。但研究者们进一。但研究者们进一步采取了其他方法使原子达到更低的温度。步采取了其他方法使原子达到更低的温度。1995年达诺年达诺基小组把铯原子冷却到了基小组把铯原子冷却到了2.8nK的低温，朱棣文等利用钠的低温，朱棣文等利用钠原子喷泉方法曾捕集到温度仅为原子喷泉方法曾捕集到温度仅为24pK的一群钠原子。的一群钠原子。 在朱棣文的三维激光冷却实验装置中，在三束激光在朱棣文的三维激光冷却实验装置中，在三束激光交汇处

29、，由于原子不断吸收和随机发射光子，这样发射交汇处，由于原子不断吸收和随机发射光子，这样发射的光子又可能被邻近的其他原子吸收，原子和光子互相的光子又可能被邻近的其他原子吸收，原子和光子互相交换动量而形成了一种原子光子相互纠缠在一起的实体，交换动量而形成了一种原子光子相互纠缠在一起的实体，低速的原子在其中无规则移动而无法逃脱。朱棣文把这低速的原子在其中无规则移动而无法逃脱。朱棣文把这种实体叫做种实体叫做“光学粘团光学粘团”，这是一种捕获原子使之集聚，这是一种捕获原子使之集聚的方法。更有效的方法是利用的方法。更有效的方法是利用“原子阱原子阱”，这是利用电，这是利用电磁场形成的一种磁场形成的一种“势能

30、坑势能坑”，原子可以被收集在坑内存，原子可以被收集在坑内存起来。一种原子阱叫起来。一种原子阱叫“磁阱磁阱”，它利用两个平行的电流，它利用两个平行的电流方向相反的线圈构成。这种阱中心的磁场为零，向四周方向相反的线圈构成。这种阱中心的磁场为零，向四周磁场磁场不断增强。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心时不断增强。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心时势能最势能最低，偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而低，偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而返回。这种阱曾捕获返回。这种阱曾捕获1012个原子，捕陷时间长达个原子，捕陷时间长达12min。除了磁阱外，还有利用对射激光束形成的除了磁阱外，还有利用对射激光束形成的“光阱光阱”和把和把磁阱、光阱结合起来的磁磁阱、光阱结合起来的磁-光阱。光阱。 激光冷却和原子捕陷的研究在科学上有很重要的意激光冷却和原子捕陷的研究在科学上有很重要