3傳感器與基礎(chǔ)效應(yīng).doc

傳感器與基礎(chǔ)效應(yīng)物性型傳感器是利用某些物質(zhì)(如半導(dǎo)體、陶瓷、壓電晶體、強(qiáng)磁性體和超導(dǎo)體等)的物性隨外界待測(cè)量作用而發(fā)生變化的原理制成。它利用了諸多的效應(yīng)(包括物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng))和物理現(xiàn)象，如利用材料的壓阻、濕敏、熱敏、光敏、磁敏、氣敏等效應(yīng)，把應(yīng)變、濕度、溫度、位移、磁場(chǎng)、煤氣等被測(cè)量變換成電量。而新原理、新效應(yīng)(如約瑟夫遜效應(yīng))的發(fā)現(xiàn)和利用，新型物性材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使物性型傳感器得到很大的發(fā)展，并逐步成為傳感器發(fā)展的主流。因此了解傳感器所基于的各種效應(yīng)，對(duì)物性型傳感器的深入理解、開(kāi)發(fā)和使用是非常必要的。表l41列出了主要物性型傳感器所基于的物理效應(yīng)及所使用的材料。第一節(jié) 光電效應(yīng)物質(zhì)在光的作用下釋放電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。被釋放的電子稱為光電子。光電子在外電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱為光電流。光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律為：(1)光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比；(2)光電子的初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)；(3)當(dāng)入射光的頻率低于某一極限頻率(稱為紅限頻率，隨金屬不同而異)時(shí)，不論光強(qiáng)的強(qiáng)弱，照射時(shí)間的長(zhǎng)短，均無(wú)光電子產(chǎn)生；(4)從光照開(kāi)始到光電子被釋放出來(lái)，整個(gè)過(guò)程只需10-9s以下的時(shí)間。上述光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律巳由愛(ài)因斯坦的光量子理論給予了完滿的解釋。光電效應(yīng)一般分為光電子發(fā)射效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三類。一、光電子發(fā)射效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)又稱外光電效應(yīng)。它是指金屬在光的照射下，釋放的光電子逸出金屬表面的現(xiàn)象，是1887年由德國(guó)人赫芝發(fā)現(xiàn)的?；谠撔?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量hv的粒子。頻率為v的光則是以一群能量各為hv的粒子在空間傳播。當(dāng)金屬中的電子吸收了入射光子的能量時(shí)，若足以克服逸出功，那么電子就會(huì)逸出金屬表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，逸出的光電子動(dòng)能為：式中h普朗克常數(shù)，為6626110-34(Js)；v光的頻率(s-1)；me電子質(zhì)量，me=9109510-31(kg)；v0電子逸出速度(ms-1)；超出功(J)，也稱功函數(shù)，是一個(gè)電子從金屬或半導(dǎo)體表面逸出時(shí)克服表面勢(shì)壘所需作的功，其值與材料有關(guān)，還與材料表面狀態(tài)有關(guān)。單位時(shí)間逸出的電子數(shù)，即發(fā)射的光電流i與光強(qiáng)成正比，即式中P入射光功率；外光量子效率，它與材料及表面狀態(tài)有關(guān)，是波長(zhǎng)的函數(shù)e電子電荷量。二、光導(dǎo)效應(yīng)物體受到光照時(shí)，其內(nèi)部原子釋放的電子留在內(nèi)部而使物體的導(dǎo)電性增加，電阻值下降的現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)或稱內(nèi)光電效應(yīng)。絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體都具有光導(dǎo)效應(yīng)?；诠鈱?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(亦稱光電導(dǎo)管)，其常用的材料有硫化鎘(CdS)、硫化鉛(PbS)、銻化銦(InSb)、非晶硅(asi：H)等。純半導(dǎo)體在光線照射下，其禁帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度Eg(eV)的光子的激發(fā)，由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子。同時(shí)，價(jià)帶也因此而形成自由空穴。致使純半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴濃度增大，半導(dǎo)體電阻率減小。三、光生伏特效應(yīng)物體(如半導(dǎo)體)在光的照射下能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管和光敏三極管。1側(cè)向光生伏特效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件的光靈敏面受光照不均勻時(shí)，由載流子濃度梯度形成載流子的擴(kuò)散而產(chǎn)生的光電效應(yīng)稱為側(cè)向光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)工作的光電器件有半導(dǎo)體位置敏感器件(簡(jiǎn)稱PSD)，由于電子遷移率比空穴的大，致使被光照部分帶正電，未被光照部分帶負(fù)電，兩部分之間產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。2pn結(jié)光生伏特效應(yīng)光照射到距表面很近的半導(dǎo)體pn結(jié)時(shí)，結(jié)及附近的半導(dǎo)體吸收光能。若光子能大于禁帶寬度，則價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，而價(jià)帶則相應(yīng)成為空穴。這些電子空穴對(duì)在pn結(jié)內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，電子移向n區(qū)外側(cè)，空穴移向P區(qū)外側(cè)，結(jié)果P區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。基于此效應(yīng)的光電器件有光電他、太陽(yáng)電他、光敏二極管和三極管等。3光電磁效應(yīng)(同稱PEM效應(yīng))半導(dǎo)體受強(qiáng)光照射并在光照運(yùn)直方向外加磁場(chǎng)時(shí)，垂直于光和磁場(chǎng)的半導(dǎo)體兩端面間產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象稱為光電磁效應(yīng)。它可以看成是光擴(kuò)散電流的霍爾效應(yīng)。Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等材料均有明顯的光電磁效應(yīng)。4貝克勒耳(Becquerel)效應(yīng)貝克勒耳效應(yīng)是液體中的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射浸在電解液中的兩個(gè)同樣電極中的任一個(gè)電極時(shí)，在兩個(gè)電圾間將產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象稱為貝克勒耳效應(yīng)?；谠撔?yīng)的有感光電池。第二節(jié) 電光效應(yīng)物質(zhì)的光學(xué)特性(如折射率)受外電場(chǎng)影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象統(tǒng)稱為電光效應(yīng)。一、泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)平面偏振光沿處在外電場(chǎng)內(nèi)的壓電晶體的光鈾傳播時(shí)發(fā)生雙折射現(xiàn)象(稱為電致雙折射)，且兩個(gè)主折射率之差與外電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，該效應(yīng)稱為泡克耳斯效應(yīng)(線性電光效應(yīng))。利用泡克耳斯效應(yīng)可制成電光調(diào)制器或電光開(kāi)關(guān)，能以25109Hz的頻率調(diào)制光束，如調(diào)制激光；可制成光纖電壓、電場(chǎng)傳感器，可測(cè)量高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)。常用的具有泡克耳斯效應(yīng)的壓電材料有磷酸二氫鉀(K2H2P04)，簡(jiǎn)稱KDP等。二、電光克爾(Kerr)效應(yīng)光照具有各向同性的透明物質(zhì)(也可以是液體)，在與入射光垂直的方向上加以高電壓將發(fā)生雙折射現(xiàn)象，即一束入射光變成正常(尋常)和異常(非常)兩束出射光，稱這種現(xiàn)象為電光克爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明兩個(gè)主折射率之差n為式中K克爾常數(shù)；E電場(chǎng)強(qiáng)度。因此電光克爾效應(yīng)又稱平方電光效應(yīng)。此效應(yīng)發(fā)生過(guò)程極為迅速約l0-8s,可用于觀測(cè)放電現(xiàn)象、照相機(jī)快門、光導(dǎo)纖維傳感器中。三、光彈性效應(yīng)當(dāng)外力或振動(dòng)作用于彈性體產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，彈性體的折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)。利用光彈性效應(yīng)可制成壓力、振動(dòng)、聲響傳感器。該效應(yīng)與泡克耳斯效應(yīng)均為對(duì)材料折射率調(diào)制的效應(yīng)。四、電致發(fā)光效應(yīng)某些固態(tài)晶體如高純度Ge、si和GaAs等化合物半導(dǎo)體在光和外加電場(chǎng)作用下發(fā)出冷光(指熒光和磷光)的現(xiàn)象，以及某些固態(tài)晶體如GaP、InP、GaAs等無(wú)需外加激發(fā)光而在外加電場(chǎng)作用下即可發(fā)光的現(xiàn)象統(tǒng)稱為電致發(fā)光效應(yīng)。可制成發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等器件。第三節(jié)磁光效應(yīng)置于外磁場(chǎng)中的物體，在光和外磁場(chǎng)作用下，其光學(xué)特性(如吸光特性、折射率等)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。一、法拉第(Faraday)效應(yīng)平面偏振光(即直線偏振光)通過(guò)帶磁性的透光物體或通過(guò)在縱向磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向與光傳播方向平行)作用下的非旋光性物質(zhì)時(shí)。其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為磁光法拉第效應(yīng)。它是由于磁場(chǎng)的作用使直線偏振光分解成傳遞速度各異的左旋和右旋兩圓偏振光，因此從物體端面出射的合成偏振光將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。偏振光面偏轉(zhuǎn)的角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、光在物體中通過(guò)的長(zhǎng)度l成正比，即式中Kverdet常數(shù)是磁性材料固有的，與光波波長(zhǎng)和溫度有關(guān)，而與磁場(chǎng)強(qiáng)度H無(wú)關(guān)。二、磁光克爾(Kerr)效應(yīng)平面偏振光垂直入射于拋光的強(qiáng)電磁鐵的磁極表面，所產(chǎn)生的反射光偏轉(zhuǎn)角度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化，這種現(xiàn)象稱為磁光克爾效應(yīng)。它適用于光不能穿透所用磁光材料的場(chǎng)合，常用的材料有錳鉍陶瓷。三、科頓蒙頓(Cotton-mouton)效應(yīng)當(dāng)光線垂直于磁場(chǎng)的方向照射液體(如消基苯等芳香族化合物)時(shí)，液體分子在外磁場(chǎng)的作用下形成一定規(guī)律的排列，而呈現(xiàn)雙折射特性，即一束入射光變?yōu)閷こ：头浅墒錾涔?，這種現(xiàn)象稱為科頓蒙頓效應(yīng)。它是一種磁致雙折射效應(yīng)。二主折射率之差n為式中ccottonMouton常數(shù)，它與光波波長(zhǎng)及溫度有關(guān)，與磁場(chǎng)強(qiáng)度H無(wú)關(guān)。第四節(jié) 電(流)磁效應(yīng)置于磁場(chǎng)中的通電金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體所產(chǎn)生的種種物理現(xiàn)象，統(tǒng)稱為電(流)磁效應(yīng)。一、霍爾(Hall)效應(yīng)當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)方向通過(guò)導(dǎo)體或半導(dǎo)體簿片時(shí)，在薄片垂直于電流和磁場(chǎng)方向的兩側(cè)表面之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，稱為霍爾效應(yīng)。半導(dǎo)體霍耳電勢(shì)如下二、磁阻效應(yīng)當(dāng)通有電流的半導(dǎo)體或磁性金屬薄片置于與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)的作用力加長(zhǎng)了載流子運(yùn)動(dòng)的路徑，使其電阻值隨外磁場(chǎng)增強(qiáng)而加大的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。第五節(jié) 熱電效應(yīng)與熱釋電效應(yīng)一、熱電效應(yīng)是溫差轉(zhuǎn)換成電的物理效應(yīng)。1塞貝克(Seebeck)效應(yīng)兩種不同的金屬串接成閉合回路，當(dāng)它們的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，則在回路內(nèi)有電流產(chǎn)生，亦即兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)成稱塞貝克效應(yīng)，習(xí)慣稱作熱電效應(yīng)。兩種金屬的接觸電勢(shì)是由于接觸時(shí)自由電子由密度大的金屬向小的擴(kuò)散，直至動(dòng)態(tài)平衡而形成。單一金屬溫差電勢(shì)是由于自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，向低溫端擴(kuò)散而形成。2珀耳帖(Pelticr)效應(yīng)它是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。當(dāng)電流流過(guò)兩種導(dǎo)體組成的閉合回路時(shí)，一結(jié)點(diǎn)處變熱(吸熱)，另一結(jié)點(diǎn)處變冷(放熱)，或當(dāng)電流以不同方向通過(guò)金屬與半導(dǎo)體相接觸處時(shí)，其接觸處或發(fā)熱或吸熱，這種現(xiàn)象稱為珀耳帖效應(yīng)。如果通電電流為I，則吸收或放出的熱量Q為式中b珀耳帖系數(shù)，其大小取決于材料和環(huán)境溫度。=T，其中為塞貝克系數(shù)，T為環(huán)境絕對(duì)溫度。利用珀耳帖效應(yīng)可制成制冷器，用來(lái)控制半導(dǎo)體激光器溫度等。3湯姆遜(Thomson)效應(yīng)同一種金屬組成閉合回路或一種半導(dǎo)體，保持回路二側(cè)或半導(dǎo)體兩端為一定溫度差T，并通以電流I時(shí)，回路的溫度轉(zhuǎn)折處(或半導(dǎo)體整體)將產(chǎn)生比例于IT的吸熱或發(fā)熱，這種現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。二、熱釋電效應(yīng)電石、水晶、酒石酸鉀鈉(羅謝耳鹽)、鈦酸鋇(BaTiO3)等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。產(chǎn)生的電荷Q與溫度T的關(guān)系為式中熱釋電系數(shù)，其大小取決于晶體材料；A晶體受熱表面積。高介電常數(shù)材料，如BaTiO3、PbTio3、LiTaO3、LiNbO3等有顯者的熱釋電效應(yīng)，可制成紅外探測(cè)器、溫度傳感器、熱成象器件。熱(釋)電式紅外探測(cè)器具有不需冷卻、響應(yīng)光譜范圍寬、響應(yīng)快(s甚至達(dá)ns)和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但由于產(chǎn)生的電荷會(huì)被空氣中的各種離子結(jié)合而消失，需采用周期性遮光體，以使紅外光能斷續(xù)加熱探測(cè)器，不斷輸出電荷。第六節(jié) 熱磁效應(yīng)有些具有磁化的勻質(zhì)金屬兩端由于溫度差形成熱流，在與垂直熱流方向的磁場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象稱為熱磁效應(yīng)。若熱磁效應(yīng)所產(chǎn)生的電場(chǎng)與熱流方向及磁場(chǎng)方向相垂直，則稱為橫向能斯脫(Nernst)效應(yīng)或稱電氣橫向效應(yīng)，若產(chǎn)生的電場(chǎng)與熱流方向一致，稱為縱向能斯脫效應(yīng)或稱電氣縱向效應(yīng)。能斯脫效應(yīng)所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度與金屬溫度梯度及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)則為Nernst系數(shù)，其大小由材料的物理性質(zhì)所決定。若熱磁效應(yīng)在垂直于熱流與磁場(chǎng)方向或在熱流方向產(chǎn)生溫度梯度，則稱為熱磁橫向效應(yīng)或熱磁縱向效應(yīng)。利用熱磁效應(yīng)可制成Nernst紅外探測(cè)器。第七節(jié) 壓電效應(yīng)一、正壓電效應(yīng)當(dāng)某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用而變形時(shí)，在其一定的兩個(gè)表面上產(chǎn)生異號(hào)電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。二、逆壓電效應(yīng)當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，某些電介質(zhì)在一定方向上將產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)外電場(chǎng)撤去后，變形或應(yīng)力也隨之消失，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。三、電致伸縮放應(yīng)電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下會(huì)由于極化的變化而引起形變，若形變與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)，這個(gè)現(xiàn)象就稱為電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)都是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效應(yīng)。但前者與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)，其應(yīng)變大小與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，而后者(逆壓電效應(yīng))則與電場(chǎng)方向有關(guān)，其應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)外加電場(chǎng)反向時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變也同時(shí)反向。第八節(jié) 壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料(如硅、鍺、p型硅、n型硅)受到外力或應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生交化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。第九節(jié) 壓磁效應(yīng)一、磁致伸縮效應(yīng)某些鐵磁體及其合金，以及某些鐵氧體在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)或稱焦耳效應(yīng)。二、壓磁效應(yīng)磁致伸縮材料在外力(或應(yīng)力、應(yīng)變)作用下，引起內(nèi)部發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動(dòng)，磁疇磁化強(qiáng)度矢量轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使材料的磁化強(qiáng)度和磁導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)的變化。這種由于應(yīng)力使磁性材料磁性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng)，也稱逆磁致伸縮放應(yīng)。三、威德曼效應(yīng)當(dāng)給鐵磁桿通以縱向電流(即置于環(huán)狀磁場(chǎng)中)，并使其拉伸(或壓縮)或扭曲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生縱向磁化的現(xiàn)象稱為逆威德曼效應(yīng)。此時(shí)，若在桿的圓周方向繞上線圈，則可得到由于扭曲或縱向力所產(chǎn)生的輸出電壓。因此可制成扭矩或力傳感器。第十節(jié) 約瑟夫遜效應(yīng)與核磁共振一、約瑟夫遜效應(yīng)在兩塊超導(dǎo)體之間放置厚度約為l0-9m的極薄的絕緣層，組成約瑟夫遜結(jié)或稱超導(dǎo)隧道結(jié)，絕緣層兩側(cè)超導(dǎo)電子間就會(huì)發(fā)生耦合，呈現(xiàn)出超導(dǎo)電流的量子干涉現(xiàn)象，即約瑟夫遜效應(yīng)。約瑟夫遜效應(yīng)是超導(dǎo)體的隧道效應(yīng)。在兩金屬片之間夾有極薄(約為l0-9m)的絕緣層(如氧化膜)，當(dāng)兩端施加直流電壓時(shí)，回路就有電流產(chǎn)生，即有電流通過(guò)絕緣層，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。約瑟夫遜結(jié)，在不外加電壓或磁場(chǎng)時(shí)，有直流電流通過(guò)絕緣層，即超導(dǎo)電流能無(wú)電阻地通過(guò)極薄的絕緣層，這種現(xiàn)象稱為直流約瑟夫遜效應(yīng)。約瑟夫遜結(jié)能夠吸收和發(fā)射電磁波的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為交流約瑟夫遜效應(yīng)。1加以直流電壓輻射電磁波給約瑟夫遜結(jié)加以直流電壓時(shí)，約瑟夫遜結(jié)會(huì)產(chǎn)生頻率與所加電壓V成正比的高頗超導(dǎo)電流，并向外輻射電磁波，電磁波頻率為：。式中e電子電荷量，e=1.602l0-19C；h普朗克常數(shù)，h=6.62510-3Js。2加以直流和交流電壓輸出直流電流(壓)給約瑟夫遜結(jié)加以直流電壓，同時(shí)施加一交流射頻電壓或用一定頻率的電磁波作用于結(jié)上，則當(dāng)由直流電壓引起的高頻電流頻率與外加交流射頻電壓頻率相等，或與外加電磁波頻率相等，或者是它們的整數(shù)倍時(shí)，將有直流成份的超導(dǎo)電流流過(guò)絕緣層。輸出直流電壓式中n整數(shù)；f 外加電壓頻率或外作用電磁波頻率。二、核磁共振核磁共振是一種磁共振現(xiàn)象。磁共振是指與物質(zhì)磁性和磁場(chǎng)有關(guān)的共振現(xiàn)象，即磁性物質(zhì)內(nèi)具有磁炬的粒子在直流磁場(chǎng)的作用下，其能級(jí)將發(fā)生分裂，當(dāng)能級(jí)間的能量差正好與外加交變磁場(chǎng)(其方向垂直于直流磁場(chǎng))的量子值相同時(shí)，物質(zhì)將強(qiáng)烈吸收交變磁場(chǎng)的能量并產(chǎn)生共振，達(dá)就是磁共振。它在本質(zhì)上也是一種能級(jí)間躍遷的量子效應(yīng)。磁共振現(xiàn)象與物質(zhì)的磁性有密切的關(guān)系。當(dāng)磁矩來(lái)源于順磁物質(zhì)原子中的原子核時(shí)，則這種磁共振稱為核磁共振。第十一節(jié) 光的多普勒效應(yīng)和薩古納克效應(yīng)一、光的多普勒(Doppler)效應(yīng)當(dāng)光波源或觀察者(光接收器)相對(duì)于介質(zhì)(或散射體、反射器)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的光波頻率不同于光波源的頻率，兩者相接近時(shí)，接收到的頻率增大，反之，則減小，這種現(xiàn)象稱為光的多普勒效應(yīng)。由于多普勒效應(yīng)而引起的頻率變化數(shù)值稱為多普勒頻移。設(shè)觀察者、光波源與介質(zhì)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向在同一條直線上，光波源的頻率為fS。當(dāng)觀察者以速度vS相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而接近或遠(yuǎn)離光波源時(shí)，則在光速為c（c v）的情況下，觀察者所接受到的光波頻率為，式中當(dāng)觀察者接近光源時(shí)取“+”、反之取“-”。當(dāng)觀察者靜止不動(dòng)，光波源以速度相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而接近或遠(yuǎn)離接受器時(shí)，接受到的光波頻率為，忽略高次項(xiàng)，則與上面情況的表達(dá)式相同。推導(dǎo)方程為光速度等于波長(zhǎng)與頻率的乘積，而其中波長(zhǎng)不變，光在空間中的速度C不變。當(dāng)觀察者和光波源相對(duì)靜止，介質(zhì)（如運(yùn)動(dòng)散射體）運(yùn)動(dòng)速度為V時(shí)，若他們的位置、速度關(guān)系如下圖所示，則接受到的光波頻率為，忽略高次項(xiàng)，得到。則多普勒頻移為，式中光線入射方向和接受方向位于運(yùn)動(dòng)速度方向的法線同側(cè)時(shí)q2取“+”、異側(cè)時(shí)取“-”；運(yùn)動(dòng)速度在入射光方向的投影分量指向光源時(shí)Df取“+”、反之取“-”。利用多普勒效應(yīng)可以進(jìn)行速度、流速、流量等測(cè)量，例如光纖式血液流速測(cè)量，激光多普勒超低速、超音速測(cè)量等。二、薩古納克(Sagnac)效應(yīng)同一光源同一光路，兩束對(duì)向傳播光之間的光程差或相位差與其光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于慣性空間旋轉(zhuǎn)的角速度成正比的現(xiàn)象，稱為薩古納克效應(yīng)。 其簡(jiǎn)化證明可用圖146所示的示意圖進(jìn)行。圖中光源A發(fā)出的光由B點(diǎn)分為兩束，一束為順時(shí)針傳播的光束。另一束為反時(shí)針傳播的光束。當(dāng)系統(tǒng)角速度0時(shí)，順、反光束由B點(diǎn)開(kāi)始傳播均又回到B點(diǎn)，路程為L(zhǎng)=2r，所需時(shí)間為t=Lc。其中c為光速，故兩束光之間無(wú)光程差。當(dāng)系統(tǒng)以角速度相對(duì)慣性空間反時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，從B點(diǎn)出發(fā)的反時(shí)針傳播光束到達(dá)B/所需時(shí)間與順時(shí)針傳播光束由B點(diǎn)到B/點(diǎn)所需時(shí)間之差為因光速c r，所以式中 A圓形光學(xué)系統(tǒng)圍成的面積。因此，順、反兩光束之間的光程差和相位差分別為式中 0真空中光的波長(zhǎng)?？梢宰C明，上面推導(dǎo)結(jié)論同樣適用于任意形狀的光路，且薩古納克效應(yīng)與光的傳播媒質(zhì)無(wú)關(guān)。第十二節(jié) 聲音的多普勒效應(yīng)及聲電、聲光效應(yīng)一、聲音的多普勒效應(yīng)聲音的多普勒效應(yīng)與光的多普勒效應(yīng)相類似。當(dāng)聲源和觀察者(或聲接收器)在連續(xù)介質(zhì)中有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的聲波頻率與聲源發(fā)出的頻率不同，兩者靠近時(shí)頻率升高，遠(yuǎn)離時(shí)頻率降低，這種現(xiàn)象稱為聲音的多普勒效應(yīng)。二、聲電效應(yīng)在半導(dǎo)體中，超聲(或聲子)與自由載梳子(電子或空穴)相互作用所產(chǎn)生的多種物理效應(yīng)，如聲波的衰減或放大(聲子的吸收或發(fā)射)，大振幅超聲對(duì)半導(dǎo)體電壓電流特性的影響等，統(tǒng)稱為聲電效應(yīng)。在壓電半導(dǎo)體中，聲電效應(yīng)表現(xiàn)為聲子使自由載流子重新分布，從而在半導(dǎo)體兩端之間出現(xiàn)電場(chǎng)。它是研究半導(dǎo)體材料性質(zhì)的重要途徑，也可用以實(shí)現(xiàn)超聲的直接放大和做成l09Hz量級(jí)的聲電振蕩器。主要材料有CdS、ZnO、GaAs等。某些介質(zhì)在聲波作用下，其光學(xué)特性(如折射率)發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。其中超聲波的聲光效應(yīng)尤為顯著，即光通過(guò)處在超聲波作用下的透明物質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。第十三節(jié) 放射線效應(yīng)一、放射線效應(yīng)物質(zhì)被放射線照射后，其某些特性(如折射率)發(fā)生變化的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為放射線效應(yīng)。某些物質(zhì)在G射線照射下，物質(zhì)中原于與G射線的光子相互作用，使原子的某一束縛電子發(fā)射出去，所發(fā)射的電子稱為光電子，這種現(xiàn)象稱為G射線的光電效應(yīng)，也可簡(jiǎn)稱為光電效應(yīng)。G射線的光電效應(yīng)截面隨光子能量增大而減小，隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)的增大而迅速增大。二、吸收效應(yīng)及原子序號(hào)效應(yīng)1吸收效應(yīng)某些能吸收高能電子束的物質(zhì)，當(dāng)用高能電子束聚焦照射時(shí)，在放射出特性x射線(物質(zhì)所特有的x射線或稱為螢光x射線)的同時(shí)，自身還吸收這些特性x射線，其吸收量的大小取決于同時(shí)存在的元素種類、濃度、入射電子束能量以及特性x射線的取出角度等因素，這種現(xiàn)象稱為吸收效應(yīng)。2原子序號(hào)效應(yīng)某些物質(zhì)能把入射的電子束能量轉(zhuǎn)換成x射線能量并發(fā)射出去，而且這種能量轉(zhuǎn)換的比例取決于物質(zhì)原子序號(hào)和電子束能量，因此稱這種物理現(xiàn)象為原子序號(hào)效應(yīng)。 三、俄歇(Auger)效應(yīng)當(dāng)氣體(如惰性氣體)受到放射線(如x射線、射線)照射時(shí)，由一個(gè)氣體原子可以發(fā)射幾個(gè)電子，而且這些電子的動(dòng)能與入射的射線頻率(也即能量)無(wú)關(guān)，僅與被照射氣體的原子種類有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為俄歇效應(yīng)。四、康普頓(Compton)效應(yīng)x射線、射線等短波長(zhǎng)的電磁輻射通過(guò)原子序數(shù)較低的元素時(shí)，被元素散射的射線波長(zhǎng)除一部分保持原值外，還有一部分將發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)，或稱康普頓散射。所改變的波長(zhǎng)的大小與入射射線的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，僅決定于散射角，即第十四節(jié) 擊波動(dòng)態(tài)效應(yīng)擊波(如沖擊被)通過(guò)某些物質(zhì)時(shí)所引起的物理現(xiàn)象統(tǒng)稱為擊波動(dòng)態(tài)效應(yīng)。一、動(dòng)態(tài)電學(xué)效應(yīng)擊波在物質(zhì)中通過(guò)時(shí)引起物質(zhì)的電導(dǎo)率改變，或引起某些電介質(zhì)的極化(即其相對(duì)面上產(chǎn)生電荷)，或退極化（如極化了的鐵電體放出電荷），這種現(xiàn)象稱為動(dòng)態(tài)電學(xué)效應(yīng)。二