光電子技術(shù)(第0章)

1、第第0 0章章 光電子技術(shù)發(fā)展概述（補(bǔ)）光電子技術(shù)發(fā)展概述（補(bǔ)）光電子技術(shù)：光電子技術(shù)：與光有關(guān)的光學(xué)（包括光子學(xué)與光有關(guān)的光學(xué)（包括光子學(xué)PhotonicsPhotonics）和（微）電子）和（微）電子技術(shù)。技術(shù)。光對(duì)人類的生活和社會(huì)的發(fā)展極重要。光對(duì)人類的生活和社會(huì)的發(fā)展極重要。1.1.經(jīng)典理論的發(fā)展：經(jīng)典理論的發(fā)展：光的應(yīng)用始于開(kāi)天辟地；光的應(yīng)用始于開(kāi)天辟地；近代光學(xué)始于十七世紀(jì)初開(kāi)普勒的光學(xué)研究，以望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的發(fā)明為轉(zhuǎn)折而發(fā)展起來(lái)。研究光的本性主要源于研究光的本性主要源于1717世紀(jì)世紀(jì)光到底是什么？光到底是什么？1717世紀(jì)時(shí)的兩種對(duì)立學(xué)說(shuō)：世紀(jì)時(shí)的兩種對(duì)立學(xué)說(shuō)：英英IsaacI

2、saac NewtonNewton（1642-17271642-1727）：光是粒子流（微粒說(shuō)）。）：光是粒子流（微粒說(shuō)）。荷蘭荷蘭Christian HuggensChristian Huggens（1629-16951629-1695）：光是光源發(fā)出）：光是光源發(fā)出的波（波動(dòng)說(shuō)的波（波動(dòng)說(shuō)與現(xiàn)在的波動(dòng)說(shuō)不同）。與現(xiàn)在的波動(dòng)說(shuō)不同）。5光的本性光的本性光的波粒二象性光的波粒二象性 光學(xué)真正形成一門(mén)學(xué)科，從反光學(xué)真正形成一門(mén)學(xué)科，從反射定律和折射定律算起，這兩射定律和折射定律算起，這兩個(gè)定律奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。個(gè)定律奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。什么是光什么是光? ?光的本質(zhì)是什么光的本質(zhì)是什么?

3、?光是由什么組成的光是由什么組成的? ?人們認(rèn)識(shí)光的本性經(jīng)過(guò)了人們認(rèn)識(shí)光的本性經(jīng)過(guò)了艱難而又曲折的道路。艱難而又曲折的道路。6墨子、培根、達(dá)芬奇等研究過(guò)光學(xué)現(xiàn)象。反射定律是人們很早就認(rèn)識(shí)的光學(xué)定律之一。伽利略靠望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)“新宇宙”，震驚世界。荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅爾發(fā)現(xiàn)了光的折射定律。笛卡爾提出了光的微粒說(shuō) 7法國(guó)科學(xué)家笛卡兒：法國(guó)科學(xué)家笛卡兒：首先提出了首先提出了光的微粒說(shuō)。光的微粒說(shuō)。生于生于15961596年，是近年，是近代科學(xué)技術(shù)史上一位有多方面成代科學(xué)技術(shù)史上一位有多方面成就的偉大學(xué)者，其思想影響了整就的偉大學(xué)者，其思想影響了整個(gè)個(gè)1717世紀(jì)。世紀(jì)。作為近代科學(xué)技術(shù)史上的偉大科作為近代科學(xué)

4、技術(shù)史上的偉大科學(xué)家，笛卡兒探索了科學(xué)技術(shù)的學(xué)家，笛卡兒探索了科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域，取得了眾多科研成果。眾多領(lǐng)域，取得了眾多科研成果。（1 1）用）用微粒子渦動(dòng)理論微粒子渦動(dòng)理論說(shuō)明太陽(yáng)說(shuō)明太陽(yáng)和行星的運(yùn)動(dòng)；和行星的運(yùn)動(dòng)；（2 2）證明了宇宙永遠(yuǎn)保存著同量）證明了宇宙永遠(yuǎn)保存著同量的運(yùn)動(dòng)，提出了運(yùn)動(dòng)守恒定律。的運(yùn)動(dòng)，提出了運(yùn)動(dòng)守恒定律。8牛頓：(1643.1.4-1727.3.31)，生于英格蘭林肯郡的沃爾索普村；數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家；1661年入英國(guó)劍橋大學(xué)三一學(xué)院；1665年獲文學(xué)士學(xué)位。隨后兩年在家鄉(xiāng)躲避瘟疫；1667年回劍橋后當(dāng)選為三一學(xué)院院委，次年獲碩士學(xué)位；1669

5、年任盧卡斯教授直到1701年；1703年任英國(guó)皇家學(xué)會(huì)長(zhǎng)（學(xué)霸）；1706年受女王安娜封爵；他晚年潛心于自然哲學(xué)與神學(xué)。9牛頓對(duì)光學(xué)的貢獻(xiàn)有：（1）1666年，牛頓在家休假期間，他用得到的三棱鏡進(jìn)行了著名的色散試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)白光是由不同顏色的光組成的；1672年，發(fā)表在皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)雜志上，這是他第一次公開(kāi)發(fā)表的論文。（2）1668年，他制成了第一架反射望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)，1671年把改進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡獻(xiàn)給皇家學(xué)會(huì)，名聲大震并選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員；奠定了現(xiàn)代大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)。（3）強(qiáng)化了光的“微粒說(shuō)”，認(rèn)為光是由微粒形成的，并且是最快的直線運(yùn)動(dòng)路徑，成為當(dāng)時(shí)的代表。10牛頓牛頓微粒說(shuō)：光是直線微粒說(shuō)：光是直線

6、傳播的微粒流。（建傳播的微粒流。（建立在笛卡兒基礎(chǔ)之上）立在笛卡兒基礎(chǔ)之上）牛頓還進(jìn)行了大量的觀察實(shí)驗(yàn)牛頓還進(jìn)行了大量的觀察實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)計(jì)算，現(xiàn)象，和數(shù)學(xué)計(jì)算，現(xiàn)象，“牛頓環(huán)牛頓環(huán)”的光學(xué)現(xiàn)象等等。的光學(xué)現(xiàn)象等等。 “微粒說(shuō)微粒說(shuō)”認(rèn)為：認(rèn)為：這些微粒從光源飛出，質(zhì)量極小，忽略重力這些微粒從光源飛出，質(zhì)量極小，忽略重力作用，在真空或均勻媒質(zhì)中做慣性運(yùn)動(dòng)，并且走的是最快速的作用，在真空或均勻媒質(zhì)中做慣性運(yùn)動(dòng)，并且走的是最快速的直線運(yùn)動(dòng)路徑。直線運(yùn)動(dòng)路徑。白光是各不同顏色光組成白光是各不同顏色光組成主張微粒說(shuō)的牛頓一直將已完成的著作光學(xué)延遲到虎剋死後才出版，光學(xué)出版後，奠定了微粒說(shuō)的統(tǒng)治地位。11虎

7、克和牛頓的關(guān)系一直充滿了爭(zhēng)論。兩人存在較大的敵意。爭(zhēng)論源于光學(xué)，1672年牛頓頓在皇家學(xué)會(huì)闡述觀點(diǎn)，認(rèn)為白光經(jīng)過(guò)棱鏡產(chǎn)生色散，分成七色光，他解釋為不同顏色微粒的混合與分開(kāi)，遭到主張波動(dòng)說(shuō)（如聲的縱波）的虎克的尖銳批評(píng)。牛頓大怒，稱虎克完全沒(méi)有理解自己這一劃時(shí)代發(fā)現(xiàn)的意義，并威脅要離開(kāi)皇家學(xué)會(huì)。12例如，為什么兩束光可以彼例如，為什么兩束光可以彼此交叉通過(guò)而互不干擾此交叉通過(guò)而互不干擾? ? 微粒說(shuō)面臨著許多棘手的問(wèn)題：微粒說(shuō)面臨著許多棘手的問(wèn)題：研究牛頓環(huán)時(shí)，牛頓認(rèn)研究牛頓環(huán)時(shí)，牛頓認(rèn)識(shí)到了光的周期性識(shí)到了光的周期性牛頓主張中有一個(gè)假設(shè)，就是媒質(zhì)中光牛頓主張中有一個(gè)假設(shè)，就是媒質(zhì)中光速比空氣中

8、的光速大。速比空氣中的光速大。13惠更斯惠更斯( (See p1-2See p1-2）16901690年年提出提出波動(dòng)說(shuō)：波動(dòng)說(shuō)：光是在光是在以太以太中傳播的波動(dòng)（局限中傳播的波動(dòng)（局限1:1:以太）以太）惠更斯惠更斯波動(dòng)學(xué)說(shuō)，打破了當(dāng)時(shí)流行的光的微粒學(xué)說(shuō)，波動(dòng)學(xué)說(shuō)，打破了當(dāng)時(shí)流行的光的微粒學(xué)說(shuō)，提出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理。提出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理。光的傳播方式光的傳播方式與聲音（局限與聲音（局限2:2:縱波）類似縱波）類似，不是微粒說(shuō)所設(shè)想的像子彈或箭那樣的運(yùn)動(dòng)。不是微粒說(shuō)所設(shè)想的像子彈或箭那樣的運(yùn)動(dòng)。 惠更斯設(shè)想惠更斯設(shè)想: :傳播光的以太粒子非常之硬，傳播光的以太粒

9、子非常之硬，有極好的彈性，光的傳播就像振動(dòng)沿著一排有極好的彈性，光的傳播就像振動(dòng)沿著一排互相銜接的鋼球傳遞一樣，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)球受到互相銜接的鋼球傳遞一樣，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)球受到碰撞，碰撞運(yùn)動(dòng)就會(huì)以極快的速度傳到最后碰撞，碰撞運(yùn)動(dòng)就會(huì)以極快的速度傳到最后一個(gè)球。一個(gè)球。14微粒說(shuō)在解釋光微粒說(shuō)在解釋光線從空氣進(jìn)入水線從空氣進(jìn)入水中的折射現(xiàn)象時(shí)，中的折射現(xiàn)象時(shí)，需要假設(shè)；需要假設(shè)； C C水水CC空氣空氣 這兩種學(xué)說(shuō)都可以解釋一定的光學(xué)現(xiàn)象（光這兩種學(xué)說(shuō)都可以解釋一定的光學(xué)現(xiàn)象（光的直線傳播、反射和折射定律）。的直線傳播、反射和折射定律）。波動(dòng)說(shuō)需要假設(shè)波動(dòng)說(shuō)需要假設(shè) C C水水CC空氣空氣 但當(dāng)時(shí)人們還不能

10、準(zhǔn)但當(dāng)時(shí)人們還不能準(zhǔn)確地用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定確地用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定光速光速因而無(wú)法根據(jù)折射因而無(wú)法根據(jù)折射現(xiàn)象去判斷它們的現(xiàn)象去判斷它們的優(yōu)劣。優(yōu)劣。楊氏實(shí)驗(yàn)：楊氏實(shí)驗(yàn)：蠟燭放在開(kāi)孔的紙前面，蠟燭放在開(kāi)孔的紙前面，形成點(diǎn)光源；紙后再放一張開(kāi)有兩道形成點(diǎn)光源；紙后再放一張開(kāi)有兩道平行狹縫的紙；光穿過(guò)兩道狹縫投到平行狹縫的紙；光穿過(guò)兩道狹縫投到屏幕上，形成明、暗條紋屏幕上，形成明、暗條紋該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證據(jù)確鑿，無(wú)法反駁。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證據(jù)確鑿，無(wú)法反駁。微粒說(shuō)無(wú)法說(shuō)明兩道光疊加在一起反而微粒說(shuō)無(wú)法說(shuō)明兩道光疊加在一起反而造成黑暗。造成黑暗。 1919世紀(jì)后，波動(dòng)說(shuō)逐步發(fā)展為現(xiàn)在的波動(dòng)理論：世紀(jì)后，波動(dòng)說(shuō)逐步發(fā)展為現(xiàn)

11、在的波動(dòng)理論：英國(guó)英國(guó)Thomas YoungThomas Young干涉實(shí)驗(yàn)干涉實(shí)驗(yàn)16而波動(dòng)理論可解釋而波動(dòng)理論可解釋：兩孔距離屏上某點(diǎn)的距離：兩孔距離屏上某點(diǎn)的距離不同，當(dāng)距離差是波長(zhǎng)的整數(shù)值時(shí)，光波同不同，當(dāng)距離差是波長(zhǎng)的整數(shù)值時(shí)，光波同相加強(qiáng)，形成亮點(diǎn)；當(dāng)距離差為半波長(zhǎng)時(shí)，相加強(qiáng)，形成亮點(diǎn)；當(dāng)距離差為半波長(zhǎng)時(shí)，兩列波反相抵消，造成暗點(diǎn)。兩列波反相抵消，造成暗點(diǎn)。理論計(jì)算出的明亮條紋距離和實(shí)驗(yàn)值分毫不差。理論計(jì)算出的明亮條紋距離和實(shí)驗(yàn)值分毫不差。Thomas YoungThomas Young（1773-18291773-1829）的）的干涉實(shí)驗(yàn)及理論干涉實(shí)驗(yàn)及理論被說(shuō)成被說(shuō)成“毫無(wú)價(jià)

12、值毫無(wú)價(jià)值”, ,牛頓學(xué)說(shuō)及其影響仍居牛頓學(xué)說(shuō)及其影響仍居統(tǒng)治地位）統(tǒng)治地位） （See p58See p58）17發(fā)現(xiàn)了光干涉、衍射（圓孔、菲氏）和偏振等現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)了光干涉、衍射（圓孔、菲氏）和偏振等現(xiàn)象。與微粒說(shuō)格格不入，但原惠更斯理論也難解釋與微粒說(shuō)格格不入，但原惠更斯理論也難解釋增透膜薄膜干涉鏡面檢測(cè)圓屏衍射圓孔衍射鋼針的衍射光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光確實(shí)是一種波光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光確實(shí)是一種波18 頻率相同頻率相同 振動(dòng)方向相同振動(dòng)方向相同 相位相同相位相同 具有固定相位差具有固定相位差 在相遇區(qū)域在相遇區(qū)域產(chǎn)生干涉產(chǎn)生干涉當(dāng)光波間當(dāng)光波間點(diǎn)著酒精燈，在其火焰上點(diǎn)著酒精燈，在其火焰

13、上灑一些灑一些食鹽食鹽，酒精燈發(fā)出，酒精燈發(fā)出黃色火黃色火焰焰；把帶；把帶肥皂液薄膜肥皂液薄膜的金屬圈放的金屬圈放在酒精燈旁適當(dāng)?shù)奈恢?，使眼睛在酒精燈旁適當(dāng)?shù)奈恢茫寡劬η∧芸吹接杀∧し瓷涠傻狞S恰能看到由薄膜反射而生成的黃色火焰的色火焰的虛像；當(dāng)肥皂薄膜下垂虛像；當(dāng)肥皂薄膜下垂到一定程度，就在虛像上出現(xiàn)了到一定程度，就在虛像上出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。明暗相間的干涉條紋。19干涉條紋形成的原因：干涉條紋形成的原因：豎立的豎立的肥皂薄膜肥皂薄膜在重力作在重力作用下形成了用下形成了上薄下厚上薄下厚的楔的楔形。當(dāng)酒精燈的火焰照射形。當(dāng)酒精燈的火焰照射到薄膜上時(shí)，到薄膜上時(shí)，分別分別從膜的從膜的前

14、表面和后表面反射的兩前表面和后表面反射的兩列光波列光波，它們頻率相同，它們頻率相同，方向一致，能產(chǎn)生干涉。方向一致，能產(chǎn)生干涉。不同單色光的薄膜干涉條紋不同單色光的薄膜干涉條紋 可見(jiàn)，波長(zhǎng)可見(jiàn)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，干涉條紋越寬越長(zhǎng)，干涉條紋越寬20白光的薄膜干涉條紋白光的薄膜干涉條紋彩色條紋彩色條紋肥皂泡和水面上的油膜所呈肥皂泡和水面上的油膜所呈現(xiàn)的美麗色彩。現(xiàn)的美麗色彩。21衍射衍射特點(diǎn)：特點(diǎn)：光傳播方向會(huì)變，光傳播方向會(huì)變，經(jīng)障礙物后會(huì)繞到經(jīng)障礙物后會(huì)繞到其幾何陰影區(qū)；其幾何陰影區(qū)； 在幾何陰影區(qū)附在幾何陰影區(qū)附近，波的強(qiáng)度會(huì)有近，波的強(qiáng)度會(huì)有起伏。起伏。22生活中，極少發(fā)現(xiàn)光繞到障礙物生活中，極少

15、發(fā)現(xiàn)光繞到障礙物后面去的衍射現(xiàn)象后面去的衍射現(xiàn)象 只有當(dāng)障礙物的尺寸與波長(zhǎng)相近時(shí)，衍射現(xiàn)象才只有當(dāng)障礙物的尺寸與波長(zhǎng)相近時(shí)，衍射現(xiàn)象才較顯著。較顯著。 在空氣中，無(wú)線電在空氣中，無(wú)線電(10-10(10-103 3) )米，可聞聲波米，可聞聲波 (10(102 2-10)-10)米，其衍射現(xiàn)象極為常見(jiàn)米，其衍射現(xiàn)象極為常見(jiàn) 而光波波長(zhǎng)在可見(jiàn)光區(qū)是而光波波長(zhǎng)在可見(jiàn)光區(qū)是(0.4-0.7)(0.4-0.7)微米，故其衍微米，故其衍射現(xiàn)象少見(jiàn)。射現(xiàn)象少見(jiàn)。23自然光或非自然光或非偏振光：偏振光：電場(chǎng)振電場(chǎng)振動(dòng)方向動(dòng)方向漫無(wú)規(guī)漫無(wú)規(guī)則則偏振：偏振： 偏振光：偏振光：電場(chǎng)矢電場(chǎng)矢量具有量具有一定的一定的

16、規(guī)則規(guī)則 振動(dòng)面：振動(dòng)面：線偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)線偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)成的平面。成的平面。 部部分分偏偏振振光光園園偏偏振振光光橢橢園園偏偏振振光光24在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會(huì)出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于光線的偏振而引起的。在拍攝時(shí)加用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡面，能夠阻擋這些偏振光，借以消除或減弱這些光滑物體表面的反光或亮斑。25雖然惠更斯發(fā)展了波動(dòng)說(shuō)，雖然惠更斯發(fā)展了波動(dòng)說(shuō)，但他把光看成像但他把光看成像聲波一類的聲波一類的縱波縱波，因此不能解釋這些偏振、，因此不能解釋這些偏振、干涉和衍射現(xiàn)象。干涉和衍射現(xiàn)象。但是光波的本質(zhì)到

17、底是什么？但是光波的本質(zhì)到底是什么？是像水波？還是像聲波呢？是像水波？還是像聲波呢？（菲涅爾出現(xiàn)了）（菲涅爾出現(xiàn)了）26據(jù)此，他以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，圓滿地解釋了光的衍射，及一直以來(lái)困擾波動(dòng)說(shuō)的偏振問(wèn)題。他研究了偏振光的干涉，確定了光是橫波他研究了偏振光的干涉，確定了光是橫波（18211821）；）；他發(fā)現(xiàn)了光的圓偏振和橢圓偏振現(xiàn)象他發(fā)現(xiàn)了光的圓偏振和橢圓偏振現(xiàn)象(1823), 用波動(dòng)說(shuō)解釋了偏振面的旋轉(zhuǎn)；用波動(dòng)說(shuō)解釋了偏振面的旋轉(zhuǎn)；他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律，他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律，即即菲涅耳公式菲涅耳公式；解釋了馬呂斯的反射光偏振現(xiàn)象和雙折射現(xiàn)解釋了馬呂斯的反射光偏振現(xiàn)

18、象和雙折射現(xiàn)象，奠定了晶體光學(xué)的基礎(chǔ)。象，奠定了晶體光學(xué)的基礎(chǔ)。菲涅耳由于在物理光學(xué)研究中的重大成就，被譽(yù)為菲涅耳由于在物理光學(xué)研究中的重大成就，被譽(yù)為“物理光學(xué)的締造者物理光學(xué)的締造者”。菲涅耳菲涅耳認(rèn)為光是一種波，但革命性地認(rèn)為光是認(rèn)為光是一種波，但革命性地認(rèn)為光是橫橫波波( (類似水波，振子運(yùn)動(dòng)垂直于傳播方向的波類似水波，振子運(yùn)動(dòng)垂直于傳播方向的波););而不是從胡克以來(lái)所認(rèn)為的是而不是從胡克以來(lái)所認(rèn)為的是縱波縱波( (類似彈簧波，類似彈簧波，振子運(yùn)動(dòng)與傳播方向相同的波振子運(yùn)動(dòng)與傳播方向相同的波) )。27菲涅爾理論的這個(gè)勝利成了第二次微菲涅爾理論的這個(gè)勝利成了第二次微- -波說(shuō)戰(zhàn)爭(zhēng)波說(shuō)

19、戰(zhàn)爭(zhēng)的決定性事件。他獲得了那一屆的科學(xué)獎(jiǎng)的決定性事件。他獲得了那一屆的科學(xué)獎(jiǎng)(Grand(Grand Prix)Prix)，同時(shí)一躍成為了可以和牛頓、惠，同時(shí)一躍成為了可以和牛頓、惠更斯比肩的光學(xué)界的傳奇人物。更斯比肩的光學(xué)界的傳奇人物。 (See p63)(See p63)所以，所以，AugustinAugustin Jean Fresnel Jean Fresnel（1788-18271788-1827）基）基于彈性媒質(zhì)力學(xué)波用數(shù)學(xué)表達(dá)了于彈性媒質(zhì)力學(xué)波用數(shù)學(xué)表達(dá)了HuggensHuggens原理原理（HuggensHuggens-Fresnel-Fresnel原理原理），奠定了波動(dòng)理論基

20、），奠定了波動(dòng)理論基礎(chǔ)后，波動(dòng)說(shuō)才為大家所接受。礎(chǔ)后，波動(dòng)說(shuō)才為大家所接受。281850年，法國(guó)傅科設(shè)計(jì)了一面旋轉(zhuǎn)的鏡子，讓它用一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，使它在光線發(fā)出并且從一面靜止的鏡子反射回來(lái)的這段時(shí)間里，剛好旋轉(zhuǎn)一圈。這樣，能夠準(zhǔn)確地測(cè)得光線來(lái)回所用的時(shí)間，就可以算出光的速度。到到1919世紀(jì)中期，微粒說(shuō)挽回戰(zhàn)局的唯世紀(jì)中期，微粒說(shuō)挽回戰(zhàn)局的唯一希望就是光速在水中的測(cè)定結(jié)果了。一希望就是光速在水中的測(cè)定結(jié)果了。因?yàn)楦鶕?jù)粒子論，這個(gè)速度應(yīng)該比真因?yàn)楦鶕?jù)粒子論，這個(gè)速度應(yīng)該比真空中的光速要快，而根據(jù)波動(dòng)論，這空中的光速要快，而根據(jù)波動(dòng)論，這個(gè)速度則應(yīng)該比真空中要慢才對(duì)。個(gè)速度則應(yīng)該比真空中要慢才對(duì)。但

21、不幸出現(xiàn)了傅科。但不幸出現(xiàn)了傅科。 經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的光速平均值等于 2.98108米/秒。值得一提的是，傅科在整個(gè)裝置充入了水，測(cè)定了光在水中的速度。他發(fā)現(xiàn)光在水中的速度與空氣中的速度之比近似等于3/4，正如等于水和空氣的折射率之比，水中的光速慢于真空中的光速，與微粒理論的預(yù)言相悖。29 法國(guó)法國(guó)JeanBernardLeonJeanBernardLeon Foucault Foucault（傅科（傅科1819-1819-18681868）在在18501850觀察到的觀察到的水中光速比空氣中的慢水中光速比空氣中的慢證實(shí)了證實(shí)了波動(dòng)說(shuō)。波動(dòng)說(shuō)。30 麥克斯韋麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，發(fā)現(xiàn)電磁

22、波的傳播速度與當(dāng)時(shí)用精確實(shí)驗(yàn)室方法測(cè)得的光速非常接近。麥克斯韋沒(méi)有把這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)成一種巧合，他相信這其中必定有物理上的奧秘。于是，在麥克斯韋的腦海里，顯現(xiàn)了創(chuàng)造性的具有極其重大意義的新見(jiàn)解。他他18651865年預(yù)言了電磁波的存在年預(yù)言了電磁波的存在麥?zhǔn)系碾姶艌?chǎng)理論將長(zhǎng)期以來(lái)彼此獨(dú)立的電學(xué)、磁學(xué)與光學(xué)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)中規(guī)模空前的大統(tǒng)一。但是，當(dāng)時(shí)人們對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的深刻含義沒(méi)有給予應(yīng)有的重視。31英國(guó)英國(guó)James Clerk MaxwellJames Clerk Maxwell（1831-18791831-1879）總結(jié)了電磁學(xué)）總結(jié)了電磁學(xué)規(guī)律的方程組，從規(guī)律的方程組，從理論上證

23、明了電磁波的存在并求出理論上證明了電磁波的存在并求出了電磁波的速度。了電磁波的速度。該速度與當(dāng)時(shí)測(cè)得的光速相近，啟該速度與當(dāng)時(shí)測(cè)得的光速相近，啟發(fā)人們推斷光是電磁波。發(fā)人們推斷光是電磁波。光的電磁理論可解釋大多數(shù)光的電磁理論可解釋大多數(shù)光行為（但不包含量子概念）光行為（但不包含量子概念）。目前仍廣為應(yīng)用該理論。目前仍廣為應(yīng)用該理論。在電磁波理論基礎(chǔ)上，隨著大功率激光的應(yīng)用，發(fā)展了在電磁波理論基礎(chǔ)上，隨著大功率激光的應(yīng)用，發(fā)展了非線性光學(xué)（也適用）非線性光學(xué)（也適用）32Electromagnetic Spectrum331888 年，德國(guó)年輕的物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了電磁波，證明了電磁波的存在

24、。同年，赫茲用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了電磁波在空氣中的傳播速度，其結(jié)果與光在空氣中傳播速度相同。接著，赫茲又做了一系列的電磁實(shí)驗(yàn)。做了接著，赫茲又做了一系列的電磁實(shí)驗(yàn)。做了干涉、衍射、偏振等實(shí)驗(yàn)。這一切都清楚地干涉、衍射、偏振等實(shí)驗(yàn)。這一切都清楚地表明，電磁波的性質(zhì)與光波的性質(zhì)相同。表明，電磁波的性質(zhì)與光波的性質(zhì)相同。赫茲的實(shí)驗(yàn)，雄辯地證明了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的赫茲的實(shí)驗(yàn)，雄辯地證明了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的正確性，即證明了光的電磁波動(dòng)理論的正確性，使正確性，即證明了光的電磁波動(dòng)理論的正確性，使人們對(duì)麥克斯韋在科學(xué)上取得的重大成就有了基本人們對(duì)麥克斯韋在科學(xué)上取得的重大成就有了基本正確的估價(jià)。正確的估價(jià)。34光

25、的電磁波動(dòng)理論排除了機(jī)光的電磁波動(dòng)理論排除了機(jī)械以太困難。但是，代替機(jī)械以太困難。但是，代替機(jī)械以太的械以太的“電磁以太電磁以太”也不也不能解釋光與其它物質(zhì)作用時(shí)能解釋光與其它物質(zhì)作用時(shí)的一些現(xiàn)象。的一些現(xiàn)象。人們形成了廣義光的概念，即將波長(zhǎng)短于遠(yuǎn)紅外線的人們形成了廣義光的概念，即將波長(zhǎng)短于遠(yuǎn)紅外線的一切電磁波統(tǒng)稱為光。一切電磁波統(tǒng)稱為光。光的電磁波動(dòng)理論，使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)更加深化，認(rèn)光的電磁波動(dòng)理論，使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)更加深化，認(rèn)識(shí)范圍更加擴(kuò)大。光具有波動(dòng)性，光是電磁波。識(shí)范圍更加擴(kuò)大。光具有波動(dòng)性，光是電磁波。反常色散。反常色散。電光效應(yīng)，電光效應(yīng)，泡克耳斯效應(yīng)。泡克耳斯效應(yīng)。光是橫波已十分

26、清楚，其速度也精確測(cè)量30萬(wàn)公里/秒。但波動(dòng)說(shuō)還有一個(gè)小困難，即電磁以太問(wèn)題。35Maxwell Maxwell 理論建立在以太假設(shè)基礎(chǔ)上的。理論建立在以太假設(shè)基礎(chǔ)上的。但法國(guó)但法國(guó)Henri PoincareHenri Poincare（1854-19121854-1912）提出不存在以太）提出不存在以太的觀點(diǎn)；的觀點(diǎn)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象，如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象，如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等，無(wú)法用純波動(dòng)說(shuō)解釋等，無(wú)法用純波動(dòng)說(shuō)解釋故，光到底是什么還沒(méi)徹底清楚，波粒二相性？ 362.量子光學(xué)（光子學(xué)）（1 1）否定以太）否定以太邁克爾遜邁克爾遜大地速度實(shí)驗(yàn)徹底否定了以太

27、（絕對(duì)慣性系）大地速度實(shí)驗(yàn)徹底否定了以太（絕對(duì)慣性系）的存在（的存在（See p178See p178、182-184182-184） ；Albert EinsteinAlbert Einstein（1879-19551879-1955）據(jù)此提出光速與光源、）據(jù)此提出光速與光源、觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，否定了以太，創(chuàng)立了觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，否定了以太，創(chuàng)立了狹義相狹義相對(duì)論。對(duì)論。電磁波在自由空間傳播，其本身是物質(zhì)實(shí)體電磁波在自由空間傳播，其本身是物質(zhì)實(shí)體。37 （2 2）熱輻射）熱輻射任何物體在一定的任何物體在一定的（絕對(duì)（絕對(duì)0 0度以上）溫度以上）溫度上，都要輻射各度上，都要輻射各種波長(zhǎng)

28、的電磁波，種波長(zhǎng)的電磁波，這種輻射與物體的這種輻射與物體的溫度有關(guān)，稱為熱溫度有關(guān)，稱為熱輻射或溫度輻射。輻射或溫度輻射。其本質(zhì)是電磁能量其本質(zhì)是電磁能量交換。交換。T某物體某物體環(huán)境環(huán)境入入射射吸收吸收反射反射熱輻射熱輻射38熱輻射是十九世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)物理學(xué)新領(lǐng)域，它熱輻射是十九世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)物理學(xué)新領(lǐng)域，它的研究得到了熱力學(xué)和光譜學(xué)的支持。十九世紀(jì)末，的研究得到了熱力學(xué)和光譜學(xué)的支持。十九世紀(jì)末，物理學(xué)正是從這個(gè)領(lǐng)域打開(kāi)了一個(gè)缺口，導(dǎo)致了量子物理學(xué)正是從這個(gè)領(lǐng)域打開(kāi)了一個(gè)缺口，導(dǎo)致了量子論的誕生。論的誕生。3940高空飛機(jī)彩色紅外照片高空飛機(jī)彩色紅外照片高空飛機(jī)彩色自然照片高空飛機(jī)

29、彩色自然照片41在熱輻射的研究中，熱輻射的輻射能量，特別是這一在熱輻射的研究中，熱輻射的輻射能量，特別是這一輻射的能量隨波長(zhǎng)分布的特性，往往是物理學(xué)家研究輻射的能量隨波長(zhǎng)分布的特性，往往是物理學(xué)家研究的重點(diǎn)。的重點(diǎn)。1919世紀(jì)末，人們用經(jīng)典物理學(xué)解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，出現(xiàn)世紀(jì)末，人們用經(jīng)典物理學(xué)解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，出現(xiàn)了著名的所謂了著名的所謂“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”。雖然瑞利、金斯（。雖然瑞利、金斯（1877194618771946）和維恩（和維恩（1864192818641928）分別提出了兩個(gè)公式，但是和實(shí)驗(yàn)相比，）分別提出了兩個(gè)公式，但是和實(shí)驗(yàn)相比，瑞利瑞利金斯公式只在低頻范圍符合，

30、而維恩公式只在高頻范圍金斯公式只在低頻范圍符合，而維恩公式只在高頻范圍符合。符合。42維恩位移定律維恩位移定律bTmax式中常數(shù)式中常數(shù)Kmb.10897.23TTT321實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果321隨溫度的升高，單色輻射能量最大的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。隨溫度的升高，單色輻射能量最大的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。Te,oT11T22T3343 W.維恩（德）維恩（德）1864-1928發(fā)現(xiàn)熱輻射定律獲發(fā)現(xiàn)熱輻射定律獲1911年諾貝爾獎(jiǎng)。年諾貝爾獎(jiǎng)。44研究黑體熱輻射時(shí)出現(xiàn)的矛盾及所遇到的困難研究黑體熱輻射時(shí)出現(xiàn)的矛盾及所遇到的困難Te,R-J curve瑞利瑞利-金斯曲線金斯曲線W-curve維恩曲線維恩曲線

31、實(shí)驗(yàn)曲線實(shí)驗(yàn)曲線經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的矛盾與碰撞，果的矛盾與碰撞，引起人們的深思。引起人們的深思。根據(jù)嚴(yán)格的電磁理論，熱力根據(jù)嚴(yán)格的電磁理論，熱力統(tǒng)計(jì)物理計(jì)算得出的理論曲統(tǒng)計(jì)物理計(jì)算得出的理論曲線線oTccTe1exp,5142,kTcTe維恩公式維恩公式瑞瑞-金公式金公式45Max Karl Ernst Ludwig Planck德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者： 1900.12.14在德國(guó)物理學(xué)會(huì)宣讀了關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論論文，提出能量的量子化假設(shè)，并導(dǎo)出了黑體輻射能量分布公式。結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。勞厄稱這一天為“量子論誕生日”。46 普朗克普朗克：（

32、：（18961896年）導(dǎo)出了一個(gè)和實(shí)驗(yàn)相符的公年）導(dǎo)出了一個(gè)和實(shí)驗(yàn)相符的公式。為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假式。為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進(jìn)行的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)一份一份地進(jìn)行的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是倍。這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是的的能量的最小數(shù)值能量的最小數(shù)值 E=hE=hn n。普朗克當(dāng)時(shí)把它叫做普朗克當(dāng)時(shí)把它叫做基本作用量子基本作用量子，h h普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的物理常數(shù)，它標(biāo)志著普朗

33、克常數(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的物理常數(shù)，它標(biāo)志著物理學(xué)從物理學(xué)從“經(jīng)典幼蟲(chóng)經(jīng)典幼蟲(chóng)”變成變成“現(xiàn)代蝴蝶現(xiàn)代蝴蝶”470nhnh2nnh核心：核心：能量量子化能量量子化普朗克的量子假設(shè)，普朗克公式普朗克的量子假設(shè)，普朗克公式普朗克假設(shè)普朗克假設(shè)：輻射物質(zhì)中具有帶電的線性諧振子（如分子，原：輻射物質(zhì)中具有帶電的線性諧振子（如分子，原子的振動(dòng)），它們和周圍的電磁場(chǎng)交換能量。諧振子的能量只能是子的振動(dòng)），它們和周圍的電磁場(chǎng)交換能量。諧振子的能量只能是其中其中 為諧振子的頻率。為諧振子的頻率。 是一個(gè)普適衡量，稱為普朗克衡量。是一個(gè)普適衡量，稱為普朗克衡量。 叫叫 能量子。吸收和輻射的能量為能量子的整數(shù)倍

34、，諧振子只能量子。吸收和輻射的能量為能量子的整數(shù)倍，諧振子只能處以一些特殊的能態(tài)。其中能處以一些特殊的能態(tài)。其中nnnnnnhhhhh4 ,3 ,2 , 0nnhsJh.341063. 6hStep Energy 為了解決絕對(duì)黑體輻射問(wèn)題中的矛盾，他獨(dú)辟蹊徑，提出了為了解決絕對(duì)黑體輻射問(wèn)題中的矛盾，他獨(dú)辟蹊徑，提出了與經(jīng)典理論決然不同的理論和觀點(diǎn)：與經(jīng)典理論決然不同的理論和觀點(diǎn)：48普朗克公式普朗克公式 在一定溫度下，從物體單位表面積上，單位時(shí)間內(nèi)，分布在在一定溫度下，從物體單位表面積上，單位時(shí)間內(nèi)，分布在波長(zhǎng)附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)輻射能為波長(zhǎng)附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)輻射能為T(mén)fechTeTkhc,12

35、,152實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果普朗克理論普朗克理論,Te0普朗克理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較普朗克理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較49提出能量量子提出能量量子化的假設(shè)，解化的假設(shè)，解釋了電磁輻射釋了電磁輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，獲得獲得19181918年諾年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)普朗克（德）普朗克（德）1858194750愛(ài)因斯坦康普頓光電效應(yīng)（愛(ài)因斯坦解釋）和康普頓效應(yīng)等無(wú)可辯駁的證實(shí)了光是一種粒子流，與波動(dòng)說(shuō)不一致51（3）光電效應(yīng)）光電效應(yīng)18891889年，哈爾瓦克斯發(fā)現(xiàn)：光照射在金屬板上時(shí)，從金屬上年，哈爾瓦克斯發(fā)現(xiàn)：光照射在金屬板上時(shí)，從金屬上釋放電子的現(xiàn)象釋放電子的現(xiàn)象, ,稱為光電效應(yīng)。稱為光電效

36、應(yīng)。52 光束射到金屬表面使光束射到金屬表面使電子從金屬中脫出的現(xiàn)電子從金屬中脫出的現(xiàn)象稱為象稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱光強(qiáng)較弱頻率頻率 相同相同飽和光電流飽和光電流飽和光電流飽和光電流 即光即光電子恰被遏止，不能到達(dá)電子恰被遏止，不能到達(dá)陽(yáng)極。光電子最大陽(yáng)極。光電子最大初動(dòng)能初動(dòng)能可用遏止電勢(shì)差與電子電可用遏止電勢(shì)差與電子電荷乘積的大小來(lái)量度。荷乘積的大小來(lái)量度。U = - U i = 0a時(shí)時(shí) 53因而，光的電磁理論無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)。因而，光的電磁理論無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)。54光子光子-愛(ài)因斯坦方程愛(ài)因斯坦方程2） 光子觀點(diǎn)光子觀點(diǎn)1） 波的觀點(diǎn)，單光子是一列波波的觀點(diǎn)，單

37、光子是一列波n,pE能量能量動(dòng)量動(dòng)量質(zhì)量質(zhì)量nhEnhchcmcmcp2chcmcm222n光子靜止質(zhì)量為零，電量為零光子靜止質(zhì)量為零，電量為零00m是彌散在空間的物質(zhì)是彌散在空間的物質(zhì) 1905年，年，Einstein 把普朗克的能量子觀點(diǎn)擴(kuò)展到輻射場(chǎng)把普朗克的能量子觀點(diǎn)擴(kuò)展到輻射場(chǎng),建立建立了輻射場(chǎng)的量子化的觀點(diǎn)了輻射場(chǎng)的量子化的觀點(diǎn)。各種頻率的電磁波都是能量為。各種頻率的電磁波都是能量為 的光的光“粒子粒子 ”，光子的體系。光子的體系。nh55金金屬屬表表面面附附近近金屬內(nèi)的電子金屬內(nèi)的電子nh光子光子光電子光電子nh光子光子mV2max21逸出功逸出功A初動(dòng)能初動(dòng)能用光子觀點(diǎn)解釋光電效

38、應(yīng)用光子觀點(diǎn)解釋光電效應(yīng)演示演示 一個(gè)電子吸收一個(gè)光子，據(jù)能量守恒律，有一個(gè)電子吸收一個(gè)光子，據(jù)能量守恒律，有AhVmn2max21 稱為愛(ài)因斯坦方程，成功解釋了光電子的動(dòng)能與光頻率的線性關(guān)稱為愛(ài)因斯坦方程，成功解釋了光電子的動(dòng)能與光頻率的線性關(guān)系；入射光的光強(qiáng)增加，光子數(shù)增加，光電子數(shù)增加，光電流增加；系；入射光的光強(qiáng)增加，光子數(shù)增加，光電子數(shù)增加，光電流增加；電子吸收一個(gè)光子瞬時(shí)完成。電子吸收一個(gè)光子瞬時(shí)完成。56頻率一定，光強(qiáng)（光子數(shù)頻率一定，光強(qiáng)（光子數(shù)x x光子能量）越大則單位時(shí)間光子能量）越大則單位時(shí)間打在金屬表面的光子數(shù)就越多，單位時(shí)間被激發(fā)而逸出打在金屬表面的光子數(shù)就越多，單位

39、時(shí)間被激發(fā)而逸出的光電子數(shù)也就越多，故飽和電流與光強(qiáng)成正比。的光電子數(shù)也就越多，故飽和電流與光強(qiáng)成正比。每個(gè)電子所得能量只與單個(gè)光子能量有關(guān)，故光電子的每個(gè)電子所得能量只與單個(gè)光子能量有關(guān)，故光電子的初動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。初動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。一個(gè)電子同時(shí)吸收兩個(gè)或兩個(gè)以上光子的概率幾乎為零，一個(gè)電子同時(shí)吸收兩個(gè)或兩個(gè)以上光子的概率幾乎為零，因此，若金屬中電子吸收光子的能量因此，若金屬中電子吸收光子的能量 即入射光頻率即入射光頻率 時(shí)，電子不能逸出，不產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，電子不能逸出，不產(chǎn)生光電效應(yīng)。光子與電子發(fā)生作用時(shí)，光子一次性將能量光子與電子發(fā)生作

40、用時(shí)，光子一次性將能量 交給電子，交給電子，不需要持續(xù)的時(shí)間積累，故光電效應(yīng)瞬時(shí)即可產(chǎn)生。不需要持續(xù)的時(shí)間積累，故光電效應(yīng)瞬時(shí)即可產(chǎn)生。57美國(guó)物理學(xué)家密立根用了美國(guó)物理學(xué)家密立根用了十年十年時(shí)間從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了時(shí)間從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了愛(ài)因愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程式斯坦光電效應(yīng)方程式58He was awarded the 1921 Nobel Prize for the discovery of the law of the photoelectric effect and contributions to mathematical physics. Albert Einstein19051905年年2

41、626歲的歲的Albert EinsteinAlbert Einstein在德在德國(guó)國(guó)“物理學(xué)雜志物理學(xué)雜志”發(fā)表了三篇文章：發(fā)表了三篇文章：1 “1 “論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)”提出了提出了狹義相對(duì)論（狹義相對(duì)論（相對(duì)速度早有了相對(duì)速度早有了）。）。2 “2 “關(guān)于光的發(fā)生和轉(zhuǎn)變的一個(gè)新觀關(guān)于光的發(fā)生和轉(zhuǎn)變的一個(gè)新觀點(diǎn)點(diǎn)”。提出光子，解釋了光電效應(yīng)。提出光子，解釋了光電效應(yīng)。3 “3 “從熱的分子運(yùn)動(dòng)論看靜止液體中從熱的分子運(yùn)動(dòng)論看靜止液體中懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)”。有人認(rèn)為，每遍文章都可獲諾貝爾獎(jiǎng)有人認(rèn)為，每遍文章都可獲諾貝爾獎(jiǎng)5919261926年年普朗克的能量子普

42、朗克的能量子愛(ài)因斯坦光量子愛(ài)因斯坦光量子統(tǒng)一命名為統(tǒng)一命名為光子光子康普頓效應(yīng)進(jìn)一步證實(shí)了愛(ài)因斯坦光子假設(shè)是正確的。康普頓效應(yīng)進(jìn)一步證實(shí)了愛(ài)因斯坦光子假設(shè)是正確的。60倫琴射線的散射實(shí)驗(yàn)倫琴射線的散射實(shí)驗(yàn) 19231923年，康普頓研究了年，康普頓研究了x x射線經(jīng)金屬、石墨等散射后的光譜成分。射線經(jīng)金屬、石墨等散射后的光譜成分。（4 4）Compton EffectCompton Effect（具有了波粒二相特性）（具有了波粒二相特性）實(shí)驗(yàn)裝置如下實(shí)驗(yàn)裝置如下射線源射線源x石墨石墨x射線射線x射線射線x射線射線射線射線x散射光散射光射線射線x射線射線x射線射線x射線射線x散射角散射角61散射

43、光子散射光子n hEnchp0nVmpemcE2電子電子光子光子nhEnchp00nm0電子電子(靜止靜止)作用前作用前作用后作用后光子與電子作用中，遵守兩個(gè)守恒定律：動(dòng)量守恒律和能量守恒律。62 2 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式2sin22Ao o0241. 0 與入射光波的波長(zhǎng)及散射物質(zhì)無(wú)關(guān)。與入射光波的波長(zhǎng)及散射物質(zhì)無(wú)關(guān)。在不同散射角方向上進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：在不同散射角方向上進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： 1 1 沿不同散射角方向測(cè)量發(fā)現(xiàn)，沿不同散射角方向測(cè)量發(fā)現(xiàn)， 有與入射光相同和大于有與入射光相同和大于入射光波長(zhǎng)的散射光，前者可用波動(dòng)說(shuō)解釋入射光波長(zhǎng)的散射光，前者

44、可用波動(dòng)說(shuō)解釋（電子在入射光的作用下，（電子在入射光的作用下，發(fā)生受迫振動(dòng)，各方向發(fā)出的子波引起的受迫振動(dòng)頻率和散射光頻率都應(yīng)與入射發(fā)生受迫振動(dòng)，各方向發(fā)出的子波引起的受迫振動(dòng)頻率和散射光頻率都應(yīng)與入射光頻率相同）；光頻率相同）；而后者不能，且隨散射角不同而不同。而后者不能，且隨散射角不同而不同。 450 90強(qiáng)度強(qiáng)度0 經(jīng)典電磁理論無(wú)法解釋上述事實(shí)。經(jīng)典電磁理論無(wú)法解釋上述事實(shí)。63 被束縛電子離開(kāi)表面僅需幾個(gè)電子伏特（即逸出功）；在射線被束縛電子離開(kāi)表面僅需幾個(gè)電子伏特（即逸出功）；在射線光子與電子作用時(shí)，可將電子的束縛能略去，視為自由電子，并看光子與電子作用時(shí)，可將電子的束縛能略去，視為

45、自由電子，并看做是光子與自由電子的碰撞。另外，電子熱運(yùn)動(dòng)的能量遠(yuǎn)小于做是光子與自由電子的碰撞。另外，電子熱運(yùn)動(dòng)的能量遠(yuǎn)小于 射線光子的能量，可忽略。射線光子的能量，可忽略。用光子觀點(diǎn)解釋用光子觀點(diǎn)解釋 康普頓假設(shè)：接受了愛(ài)因斯坦的光量子觀點(diǎn)，假設(shè)進(jìn)入散射體康普頓假設(shè)：接受了愛(ài)因斯坦的光量子觀點(diǎn)，假設(shè)進(jìn)入散射體的的 射線不是波而是能量為射線不是波而是能量為 的一束光子流。的一束光子流。 射線波長(zhǎng)短，約射線波長(zhǎng)短，約 0.1埃左右，因而光子能量大，約埃左右，因而光子能量大，約 數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。XnhX101043106 . 1101 . 01031063. 61910834nchheV101043

46、光子與電子的碰撞視為光子與靜止電子完全彈性碰撞。碰撞后的電光子與電子的碰撞視為光子與靜止電子完全彈性碰撞。碰撞后的電子即反沖電子速度可能很大，因而，要用相對(duì)論力學(xué)來(lái)討論這一物子即反沖電子速度可能很大，因而，要用相對(duì)論力學(xué)來(lái)討論這一物理過(guò)程。理過(guò)程。eVkT103001038. 122364(1) 能量守恒定律能量守恒定律mchcmh2200nn(2)動(dòng)量守恒定律動(dòng)量守恒定律矢量圖矢量圖pppe0p0ppe入射光子的動(dòng)量入射光子的動(dòng)量散射光子的動(dòng)量散射光子的動(dòng)量xyonncoscos0mVchch分量式分量式nsinsin0mVch聯(lián)立得聯(lián)立得nnnncos20222202222hhhcVm把能

47、量守恒式平方再減去上式，得把能量守恒式平方再減去上式，得nnnn0200242022422cos121hcmhcmcVcm65cmh0 與實(shí)驗(yàn)相符。與實(shí)驗(yàn)相符。結(jié)論，結(jié)論，康普頓效應(yīng)確實(shí)是光子與電子的作用。康普頓效應(yīng)確實(shí)是光子與電子的作用。又因又因cVmm22012sin220cmh 整理后得整理后得A0243. 0而而 同樣，同樣，可用光子觀點(diǎn)解釋散射光中為何還有波長(zhǎng)不變的光?？捎霉庾佑^點(diǎn)解釋散射光中為何還有波長(zhǎng)不變的光。當(dāng)當(dāng)光子與那些與原子聯(lián)系不太緊密的電子作用時(shí)，電子是光子與那些與原子聯(lián)系不太緊密的電子作用時(shí)，電子是“自由的自由的”，如上討論，光子與原子中的電子交換能量。當(dāng)光子與那些與原

48、子聯(lián)如上討論，光子與原子中的電子交換能量。當(dāng)光子與那些與原子聯(lián)系緊密的電子作用時(shí)，電子是系緊密的電子作用時(shí)，電子是“非自由的非自由的”，光子與整個(gè)原子碰撞，光子與整個(gè)原子碰撞交換能量，而交換能量，而原子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光子，按碰撞理論，光子能量幾乎原子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光子，按碰撞理論，光子能量幾乎不變。不變。原子原子光子光子66A.H. Compton18921962He was awarded the 1927 Nobel Prize for the discovery of the effect named after him康普頓康普頓 （1892-1962）67 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)光電效應(yīng)和

49、康普頓效應(yīng) 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)有力的支持了愛(ài)因斯坦的光子觀點(diǎn)。是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)有力的支持了愛(ài)因斯坦的光子觀點(diǎn)。是光子與物質(zhì)的作用。光子與物質(zhì)的作用。 由式由式 可以看出，由于可以看出，由于 與與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，對(duì)波長(zhǎng)較短的波如對(duì)波長(zhǎng)較短的波如X X光，康普頓效應(yīng)明顯；而對(duì)波長(zhǎng)長(zhǎng)的光如可見(jiàn)光，康普頓效應(yīng)明顯；而對(duì)波長(zhǎng)長(zhǎng)的光如可見(jiàn)光，不明顯。光，不明顯?？灯疹D效應(yīng)中康普頓效應(yīng)中，不用可見(jiàn)光。不用可見(jiàn)光。cos1mch點(diǎn)評(píng)點(diǎn)評(píng)68eVchh106 . 11050001031063. 61910834n可見(jiàn)光的光子能量可見(jiàn)光的光子能量幾個(gè)幾個(gè) 與固體對(duì)電子的束縛能（幾個(gè)電子伏特

50、）同級(jí)。因此，光子把與固體對(duì)電子的束縛能（幾個(gè)電子伏特）同級(jí)。因此，光子把全部的能量給電子，才會(huì)使電子逸出固體的表面，被全部的能量給電子，才會(huì)使電子逸出固體的表面，被“擊出擊出”電子電子能量小，速度低，可用經(jīng)典力學(xué)的動(dòng)能來(lái)表示。另外，電子在固體能量小，速度低，可用經(jīng)典力學(xué)的動(dòng)能來(lái)表示。另外，電子在固體內(nèi)的熱運(yùn)動(dòng)能約為內(nèi)的熱運(yùn)動(dòng)能約為eVkT103001038. 1223在光子與電子作用時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)能可不計(jì)。在光子與電子作用時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)能可不計(jì)。因而，可見(jiàn)光主要是光電效應(yīng)，而不是康普頓效應(yīng)。因而，可見(jiàn)光主要是光電效應(yīng)，而不是康普頓效應(yīng)。69光的波粒二象性光的波粒二象性光的波動(dòng)說(shuō)建立以來(lái)，光在傳播過(guò)程

51、中的波動(dòng)性已為光的波動(dòng)說(shuō)建立以來(lái)，光在傳播過(guò)程中的波動(dòng)性已為大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證明；大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證明；在發(fā)現(xiàn)光的粒子性之后，這些事實(shí)并未被推翻。在干在發(fā)現(xiàn)光的粒子性之后，這些事實(shí)并未被推翻。在干涉、衍射等實(shí)驗(yàn)中，光的行為仍然可以確認(rèn)為電磁波。涉、衍射等實(shí)驗(yàn)中，光的行為仍然可以確認(rèn)為電磁波。這些行為是不能按照具有確定軌道的粒子的性質(zhì)去理這些行為是不能按照具有確定軌道的粒子的性質(zhì)去理解的。解的。光在不同條件下分別表現(xiàn)出粒子性和波的行為，而這光在不同條件下分別表現(xiàn)出粒子性和波的行為，而這種情況，是經(jīng)典物理學(xué)所不能包容的。種情況，是經(jīng)典物理學(xué)所不能包容的。然而，光的波粒二象性可以用新的觀點(diǎn)把二者統(tǒng)然而，

52、光的波粒二象性可以用新的觀點(diǎn)把二者統(tǒng)一起來(lái)。一起來(lái)。70046波振幅最大處波振幅最大處幕幕n,單色波單色波光的波動(dòng)觀點(diǎn)光的波動(dòng)觀點(diǎn)狹縫狹縫I (1) 波動(dòng)觀點(diǎn)釋光強(qiáng)意義波動(dòng)觀點(diǎn)釋光強(qiáng)意義 ： ，光強(qiáng)，光強(qiáng) 在幕上的分布與在幕上的分布與波的振幅的平方幕上的空間分布成正比波的振幅的平方幕上的空間分布成正比 。EI20IE20光子光子nhEhp , (2)粒子（光子）觀點(diǎn)釋光強(qiáng)意義：光強(qiáng)粒子（光子）觀點(diǎn)釋光強(qiáng)意義：光強(qiáng) 的幕上分布與光子的幕上分布與光子在幕上的密度在幕上的密度 分布（出現(xiàn)多少）成正比分布（出現(xiàn)多少）成正比 。InI n 光子密度最大處光子密度最大處光的量子觀點(diǎn)光的量子觀點(diǎn) (3)單個(gè)

53、光子獨(dú)自運(yùn)動(dòng)時(shí)到達(dá)各處的概率正好形成干涉條紋的單個(gè)光子獨(dú)自運(yùn)動(dòng)時(shí)到達(dá)各處的概率正好形成干涉條紋的圖樣，或者說(shuō)，光子積累的效果就形成干涉條紋的圖樣，圖樣，或者說(shuō)，光子積累的效果就形成干涉條紋的圖樣，71 (4)統(tǒng)一兩種觀點(diǎn)：統(tǒng)一兩種觀點(diǎn)：光子在某一點(diǎn)附近一定體積內(nèi)出現(xiàn)的幾率光子在某一點(diǎn)附近一定體積內(nèi)出現(xiàn)的幾率 大小與光波振幅的平方大小與光波振幅的平方 成正比。光波是概率波。成正比。光波是概率波。pE20zyxEzyxP,20 (5)電磁波不是經(jīng)典意義下的波，而是一種具有統(tǒng)計(jì)意義的波。電磁波不是經(jīng)典意義下的波，而是一種具有統(tǒng)計(jì)意義的波。光的波動(dòng)性是大量光子的統(tǒng)計(jì)平均行為。光的波動(dòng)性是大量光子的統(tǒng)計(jì)

54、平均行為。這表明每個(gè)光子也有波動(dòng)性質(zhì)。這表明每個(gè)光子也有波動(dòng)性質(zhì)。引出并解釋：引出并解釋：一個(gè)光子在某處出現(xiàn)一個(gè)光子在某處出現(xiàn)的概率與該處的光強(qiáng)成正比。的概率與該處的光強(qiáng)成正比。72(1)光子是一種基本粒子光子是一種基本粒子自旋量為自旋量為粒子粒子反粒子反粒子(3)正負(fù)電子對(duì)湮沒(méi)產(chǎn)生一對(duì)光子正負(fù)電子對(duì)湮沒(méi)產(chǎn)生一對(duì)光子ee(2)光子是場(chǎng)粒子光子是場(chǎng)粒子 量子論把電磁波看作光子，通過(guò)電磁作用，帶電粒子輻射吸收量子論把電磁波看作光子，通過(guò)電磁作用，帶電粒子輻射吸收電磁波，也就是放出和吸收光子。電磁波，也就是放出和吸收光子。光子光子光子光子正電子正電子負(fù)電子負(fù)電子+73當(dāng)一個(gè)高能量的光子經(jīng)過(guò)原子核電場(chǎng)

55、時(shí)，光子會(huì)自動(dòng)湮沒(méi)當(dāng)一個(gè)高能量的光子經(jīng)過(guò)原子核電場(chǎng)時(shí)，光子會(huì)自動(dòng)湮沒(méi); ;轉(zhuǎn)化為一個(gè)電子和一個(gè)正電子，即一個(gè)電子對(duì)。轉(zhuǎn)化為一個(gè)電子和一個(gè)正電子，即一個(gè)電子對(duì)。原子核原子核光子光子ee(4)電子對(duì)產(chǎn)生電子對(duì)產(chǎn)生eehhnn74(5)光子與物質(zhì)的相互作用光子與物質(zhì)的相互作用電子電子能能 級(jí)級(jí)虛虛 能能 級(jí)級(jí) 多光子過(guò)程多光子過(guò)程近代理論與實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)光強(qiáng)大于近代理論與實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)光強(qiáng)大于 時(shí)多光時(shí)多光子吸收過(guò)程發(fā)生。此時(shí)原子或分子吸收幾個(gè)相同能量的光子，躍遷子吸收過(guò)程發(fā)生。此時(shí)原子或分子吸收幾個(gè)相同能量的光子，躍遷到高能態(tài)，以至被電離，或釋放電子。到高能態(tài)，以至被電離，或釋放電子。mW10102光

56、電子光電子nhnhnhnh 傳統(tǒng)的光電效應(yīng)的解釋是傳統(tǒng)的光電效應(yīng)的解釋是一個(gè)電子只吸收一個(gè)光子一個(gè)電子只吸收一個(gè)光子，而且有閾，而且有閾值。值。而按多光子吸收和電離看，強(qiáng)光作用下，光電效應(yīng)無(wú)閾值。而按多光子吸收和電離看，強(qiáng)光作用下，光電效應(yīng)無(wú)閾值。對(duì)光電效應(yīng)的新認(rèn)識(shí)：對(duì)光電效應(yīng)的新認(rèn)識(shí)：演示演示75光不僅在發(fā)射中，而光不僅在發(fā)射中，而且在且在傳播過(guò)程傳播過(guò)程中以及中以及在與物質(zhì)的在與物質(zhì)的相互作用相互作用中，都可以看成中，都可以看成能量能量子子。愛(ài)因斯坦稱之為。愛(ài)因斯坦稱之為光量子，也就是后來(lái)光量子，也就是后來(lái)所謂的所謂的光子光子(photon)(photon)。光子光子是人類繼電子是人類繼電

57、子后認(rèn)識(shí)到的第二個(gè)后認(rèn)識(shí)到的第二個(gè)基本粒子，基本粒子，不帶電，不帶電，呈中性呈中性。因?yàn)殡姶?。因?yàn)殡姶艌?chǎng)是一種恒以光速場(chǎng)是一種恒以光速c c運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，它的運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，它的靜止質(zhì)量為零靜止質(zhì)量為零。76實(shí)物具有微粒結(jié)構(gòu)，電磁場(chǎng)也具有微粒結(jié)構(gòu)，實(shí)物具有微粒結(jié)構(gòu)，電磁場(chǎng)也具有微粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電磁場(chǎng)的基本粒子就是光子。構(gòu)成電磁場(chǎng)的基本粒子就是光子。電磁場(chǎng)可以被看做是波動(dòng)性和粒子電磁場(chǎng)可以被看做是波動(dòng)性和粒子性矛盾的統(tǒng)一體。它是一系列的波，性矛盾的統(tǒng)一體。它是一系列的波，同時(shí)又是光子的集合。同時(shí)又是光子的集合。體現(xiàn)其粒子性的能量和動(dòng)量，與體體現(xiàn)其粒子性的能量和動(dòng)量，與體現(xiàn)其波動(dòng)性的頻率和波長(zhǎng)不可分割現(xiàn)其

58、波動(dòng)性的頻率和波長(zhǎng)不可分割地聯(lián)系在一起。地聯(lián)系在一起。光本性的結(jié)論光本性的結(jié)論愛(ài)因斯坦的光子愛(ài)因斯坦的光子論非牛頓微粒說(shuō)論非牛頓微粒說(shuō)的復(fù)舊，而是人的復(fù)舊，而是人類對(duì)于光和電磁類對(duì)于光和電磁場(chǎng)這類物質(zhì)認(rèn)識(shí)場(chǎng)這類物質(zhì)認(rèn)識(shí)上的一個(gè)飛躍。上的一個(gè)飛躍。77在反射、折射、干在反射、折射、干涉、衍射、色散等涉、衍射、色散等現(xiàn)象中，波動(dòng)性往現(xiàn)象中，波動(dòng)性往往成為主要矛盾方往成為主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出像面，光便表現(xiàn)出像波。波。在黑體輻射、光在黑體輻射、光致發(fā)光、光電效致發(fā)光、光電效應(yīng)，以及其他一應(yīng)，以及其他一些有關(guān)光的產(chǎn)生些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象中，和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象中，粒子性往往成為粒子性往往成為主要矛盾方

59、面，主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出像粒光便表現(xiàn)出像粒子。子。不同條件下主要矛不同條件下主要矛盾方面會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化盾方面會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化78光壓（光壓（輻射壓強(qiáng)）輻射壓強(qiáng)）實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了光的粒子性實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了光的粒子性 光壓探索:1619年，天文學(xué)家開(kāi)普勒猜測(cè)，彗星尾巴背向太陽(yáng)是因存在太陽(yáng)風(fēng)(現(xiàn)知是光壓); 曾設(shè)想不帶任何能源，僅靠太陽(yáng)光能可使宇宙帆船馳騁太空。 牛頓的光微粒說(shuō)后不久,光波概念普及，光壓失去了空間。但是，1873年William Crookes設(shè)計(jì)了輻射計(jì)，認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了光壓(誤，實(shí)際是空氣分子的壓力)。79真正光壓實(shí)驗(yàn)：1899年列別捷夫的實(shí)驗(yàn)，發(fā)表在1901光壓實(shí)驗(yàn)研究；1900年美國(guó)E.F.Ni

60、chols實(shí)驗(yàn)到同樣的結(jié)論。80cEHpr2cEHpr設(shè)真空中電磁波垂直入射到表面：光亮表面光亮表面c單位單位面積面積反射反射g涂黑表面涂黑表面c單位單位面積面積全吸收全吸收g力矩力矩小鏡小鏡懸絲懸絲 真空真空用光照用光照rprp81光壓一般很小，難以觀察：如 100W 燈泡在1m 遠(yuǎn)處的光壓 10-5 Pa。光壓實(shí)驗(yàn)宣布了純光波動(dòng)說(shuō)的完結(jié)，成為光量子學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)之一。有關(guān)光壓的自然現(xiàn)象有關(guān)光壓的自然現(xiàn)象： 恒星光壓與引力相平衡，使恒星保恒星光壓與引力相平衡，使恒星保持一定的體積；持一定的體積； 在太陽(yáng)輻射壓的作用下，彗星的彗在太陽(yáng)輻射壓的作用下，彗星的彗尾總是向背離陽(yáng)光的方向伸展。尾總是向背離