輻射度量與光度量

1、1第一章第一章 光電信號(hào)檢測(cè)光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)23451717世紀(jì)世紀(jì)-兩種對(duì)立的學(xué)說(shuō)。兩種對(duì)立的學(xué)說(shuō)。三：發(fā)現(xiàn)了三：發(fā)現(xiàn)了“牛頓環(huán)牛頓環(huán)”“微粒說(shuō)微粒說(shuō)：微粒從光源飛出，質(zhì)量極微粒從光源飛出，質(zhì)量極小，忽略重力作用，在真空或均勻小，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?？焖俚闹本€運(yùn)動(dòng)路徑。二：公元二：公元16681668年，他制成了年，他制成了第一架反射望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)第一架反射望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)三大貢獻(xiàn)三大貢獻(xiàn): :一：發(fā)現(xiàn)了白光是由各種一：發(fā)現(xiàn)了白光是由各種不同顏色的光組成的不同顏色的光組成的6惠更斯惠更斯：波動(dòng)說(shuō)：波動(dòng)說(shuō),

2、 ,光是在以太中傳播的波光是在以太中傳播的波動(dòng)。動(dòng)。 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。出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理。 惠更斯設(shè)想傳播光的以惠更斯設(shè)想傳播光的以太粒子非常之硬，有極好的太粒子非常之硬，有極好的彈性，光的傳播就像振動(dòng)沿彈性，光的傳播就像振動(dòng)沿著一排互相銜接的鋼球傳遞著一排互相銜接的鋼球傳遞一樣，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)球受到碰撞，一樣，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)球受到碰撞，碰撞運(yùn)動(dòng)就會(huì)以極快的速度碰撞運(yùn)動(dòng)就會(huì)以極快的速度傳到最后一個(gè)球。傳到最后一個(gè)球。 提出光是發(fā)光體中微小提出光是發(fā)光體中微小粒子的振動(dòng)在彌漫于宇宙空粒子的

3、振動(dòng)在彌漫于宇宙空間的以太中的傳播過(guò)程。光間的以太中的傳播過(guò)程。光的傳播方式與聲音類似，不的傳播方式與聲音類似，不是微粒說(shuō)所設(shè)想的像子彈或是微粒說(shuō)所設(shè)想的像子彈或箭那樣的運(yùn)動(dòng)。箭那樣的運(yùn)動(dòng)。7 這兩種學(xué)說(shuō)都可以解釋這兩種學(xué)說(shuō)都可以解釋一定的光學(xué)現(xiàn)象（光的一定的光學(xué)現(xiàn)象（光的反射和折射）。反射和折射）。 而波動(dòng)說(shuō)需而波動(dòng)說(shuō)需要假設(shè)要假設(shè) C C水水CC空氣空氣 當(dāng)時(shí)，人們還不能準(zhǔn)確地用實(shí)當(dāng)時(shí)，人們還不能準(zhǔn)確地用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定光速，因而無(wú)法根驗(yàn)方法測(cè)定光速，因而無(wú)法根據(jù)折射現(xiàn)象去判斷它們的優(yōu)劣。據(jù)折射現(xiàn)象去判斷它們的優(yōu)劣。8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)

4、是一種波9惠更斯的波動(dòng)說(shuō)惠更斯的波動(dòng)說(shuō) 發(fā)展了波動(dòng)理論。但是由于發(fā)展了波動(dòng)理論。但是由于他把光看成像聲波一類的縱波，他把光看成像聲波一類的縱波，因此不能解釋偏振現(xiàn)象、干涉和因此不能解釋偏振現(xiàn)象、干涉和衍射現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象。 麥克斯韋電磁理論的發(fā)展麥克斯韋電磁理論的發(fā)展確認(rèn)光是一種電磁波，不是惠確認(rèn)光是一種電磁波，不是惠更斯的機(jī)械波。更斯的機(jī)械波。19世紀(jì)中葉，光的波動(dòng)說(shuō)已經(jīng)得到了公認(rèn)，但是光波的本質(zhì)到底是什么，是像水波？還是像聲波呢？10 熱輻射是十九世紀(jì)熱輻射是十九世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)物理學(xué)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)物理學(xué)新領(lǐng)域，它的研究得到新領(lǐng)域，它的研究得到了熱力學(xué)和光譜學(xué)的支了熱力學(xué)和光譜學(xué)的支持。十

5、九世紀(jì)末，物理持。十九世紀(jì)末，物理學(xué)正是從這個(gè)領(lǐng)域打開(kāi)學(xué)正是從這個(gè)領(lǐng)域打開(kāi)了一個(gè)缺口，導(dǎo)致了量了一個(gè)缺口，導(dǎo)致了量子論的誕生。子論的誕生。 在熱輻射的研究中，熱輻射的輻射在熱輻射的研究中，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)家研究的重點(diǎn)。布的特性，往往是物理學(xué)家研究的重點(diǎn)。11 1919世紀(jì)末，人們用經(jīng)典物理學(xué)解釋黑體輻世紀(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)了所謂的射實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，出現(xiàn)了所謂的“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”。瑞利、金斯和維恩分別提出了兩個(gè)公式，但是瑞利、金斯和維恩分別提出了兩個(gè)公式，但是和實(shí)驗(yàn)相比，瑞利和實(shí)驗(yàn)相

6、比，瑞利金斯公式只在低頻范圍符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。合，而維恩公式只在高頻范圍符合。 1900 1900年，普朗克使用插值法將兩個(gè)公式合年，普朗克使用插值法將兩個(gè)公式合二為一提出了普朗克公式。為了與實(shí)驗(yàn)相符，二為一提出了普朗克公式。為了與實(shí)驗(yàn)相符，必須必須假定假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)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)倍。這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻數(shù)值的整數(shù)倍。這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是射頻率是的能量的最小數(shù)值的能量的最小數(shù)值 。普朗克。普朗克當(dāng)時(shí)把它叫做基

7、本作用量子，當(dāng)時(shí)把它叫做基本作用量子，h h普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)。 1918 1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予普朗克，以承年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予普朗克，以承認(rèn)由于他發(fā)現(xiàn)能量子對(duì)物理學(xué)的進(jìn)展所作的認(rèn)由于他發(fā)現(xiàn)能量子對(duì)物理學(xué)的進(jìn)展所作的貢獻(xiàn)。貢獻(xiàn)。12愛(ài)因斯坦康普頓光電效應(yīng)以及康普頓效應(yīng)等無(wú)可辯駁的證實(shí)了光是一種粒子13 光不僅在發(fā)射光不僅在發(fā)射中，而且在傳播過(guò)中，而且在傳播過(guò)程中以及在與物質(zhì)程中以及在與物質(zhì)的相互作用中，都的相互作用中，都可以看成能量子?？梢钥闯赡芰孔?。愛(ài)因斯坦稱之為光愛(ài)因斯坦稱之為光量子，也就是后來(lái)量子，也就是后來(lái)所謂的光子所謂的光子(photon)(photon)。 光子是人光子

8、是人類繼電子后認(rèn)類繼電子后認(rèn)識(shí)到的第二個(gè)識(shí)到的第二個(gè)基本粒子，不基本粒子，不帶電，呈中性。帶電，呈中性。因?yàn)殡姶艌?chǎng)是因?yàn)殡姶艌?chǎng)是一種恒以光速一種恒以光速c c運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，它的靜止質(zhì)量它的靜止質(zhì)量為零。為零。14 實(shí)物具有微粒結(jié)構(gòu)，電磁場(chǎng)也實(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)的基本具有微粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電磁場(chǎng)的基本粒子就是光子。粒子就是光子。 電磁場(chǎng)可以被看做是波動(dòng)性電磁場(chǎng)可以被看做是波動(dòng)性和粒子性矛盾的統(tǒng)一體。它是一和粒子性矛盾的統(tǒng)一體。它是一系列的波，同時(shí)又是光子的集合。系列的波，同時(shí)又是光子的集合。 體現(xiàn)其粒子性的能量和動(dòng)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

9、和量，與體現(xiàn)其波動(dòng)性的頻率和波長(zhǎng)不可分割地聯(lián)系在一起。波長(zhǎng)不可分割地聯(lián)系在一起。結(jié)論：結(jié)論： 愛(ài)因斯坦的光愛(ài)因斯坦的光子論非牛頓微粒說(shuō)子論非牛頓微粒說(shuō)的復(fù)舊，而是人類的復(fù)舊，而是人類對(duì)于光和電磁場(chǎng)這對(duì)于光和電磁場(chǎng)這類物質(zhì)認(rèn)識(shí)上的一類物質(zhì)認(rèn)識(shí)上的一個(gè)飛躍。個(gè)飛躍。15 在反射、折在反射、折射、干涉、衍射、射、干涉、衍射、色散等現(xiàn)象中，色散等現(xiàn)象中，波動(dòng)性往往成為波動(dòng)性往往成為主要矛盾方面，主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出像波。光便表現(xiàn)出像波。 在黑體輻射、在黑體輻射、光致發(fā)光、光電光致發(fā)光、光電效應(yīng)，以及其他效應(yīng)，以及其他一些有關(guān)光的產(chǎn)一些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象中，粒子性往往中，粒子性往

10、往成為主要矛盾方成為主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出面，光便表現(xiàn)出像粒子。像粒子。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16 人類關(guān)于波粒二象性的認(rèn)人類關(guān)于波粒二象性的認(rèn)識(shí)并沒(méi)有停留于此，識(shí)并沒(méi)有停留于此，19241924年愛(ài)年愛(ài)因斯坦提出光子概念后不到因斯坦提出光子概念后不到2020年，年輕的法國(guó)物理學(xué)家德布年，年輕的法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出了羅意提出了“物質(zhì)波物質(zhì)波”概念。概念。論證了微觀粒子也具有波動(dòng)性論證了微觀粒子也具有波動(dòng)性。正是人們認(rèn)識(shí)到了微觀正是人們認(rèn)識(shí)到了微觀粒子所具有的波粒二象粒子所具有的波粒二象性的特征，才建立起了性的特征，才建立起了描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化規(guī)描

11、述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化規(guī)律的量子力學(xué)理論。律的量子力學(xué)理論。他的觀點(diǎn)得到他的觀點(diǎn)得到電子衍射等實(shí)電子衍射等實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。驗(yàn)的證實(shí)。他認(rèn)為不僅光具有波粒二他認(rèn)為不僅光具有波粒二象性，所有的實(shí)物粒子，象性，所有的實(shí)物粒子，都具有波粒二象性。都具有波粒二象性。17量子理論：量子理論：一定頻率的光對(duì)應(yīng)一定頻率的光對(duì)應(yīng)一定能量的光子；一定能量的光子； 光的波、粒二重性光的波、粒二重性, ,統(tǒng)一起來(lái)。統(tǒng)一起來(lái)。之間的關(guān)系之間的關(guān)系；18否定否定 光子是否像原子和分子那樣，具有光子是否像原子和分子那樣，具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)? ? 對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有完結(jié)。對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有完結(jié)。 從涌現(xiàn)出來(lái)的新現(xiàn)

12、象和規(guī)律的研究中，逐從涌現(xiàn)出來(lái)的新現(xiàn)象和規(guī)律的研究中，逐步深化對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。步深化對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。 光子是否真的沒(méi)有靜質(zhì)量光子是否真的沒(méi)有靜質(zhì)量? ? 19 可以認(rèn)為，光電系統(tǒng)是工作于電磁波波譜圖上可以認(rèn)為，光電系統(tǒng)是工作于電磁波波譜圖上最后一個(gè)波段最后一個(gè)波段光頻段的電子系統(tǒng)。光頻段的電子系統(tǒng)。 20 任何固體或液體在任何固體或液體在高于高于0K以上以上任何溫度任何溫度下都向外輻射電磁波下都向外輻射電磁波, ,這種由于物體中的分子、這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而產(chǎn)生的輻射稱為原子受到熱激發(fā)而產(chǎn)生的輻射稱為熱輻射熱輻射。 1400K800K1000K1200K 將一塊鐵加熱物體的

13、顏色從暗淡的，將一塊鐵加熱物體的顏色從暗淡的，后來(lái)漸漸變成暗紅到發(fā)黃再到亮得耀眼。后來(lái)漸漸變成暗紅到發(fā)黃再到亮得耀眼。2122基爾霍夫輻射定律基爾霍夫輻射定律式中：式中：Mb（，T）為黑體的單色輻射為黑體的單色輻射出射度。出射度。23 這樣，只要知道黑體的輻射出射這樣，只要知道黑體的輻射出射度，便能了解一般物體的輻射性質(zhì)。度，便能了解一般物體的輻射性質(zhì)。因此，黑體輻射理論的探索，是熱因此，黑體輻射理論的探索，是熱輻射領(lǐng)域的中心問(wèn)題。輻射領(lǐng)域的中心問(wèn)題。24tQPdd25SPMdddSrdP.dA 源面積發(fā)射不一定源面積發(fā)射不一定均勻，面上各點(diǎn)附近均勻，面上各點(diǎn)附近單位面積發(fā)射的功率單位面積發(fā)射

14、的功率也不一樣，故也不一樣，故M M 通常通常是源上位置的函數(shù)。是源上位置的函數(shù)。26PIdd274PI 4PI PI428cosdddcosdd2SPSILdP29cosdd0II eLSILdd0eLSPMdd30dAdPE 312RcosdAIIPdd2RcosIdAdPE32基本輻射度量的名稱、符號(hào)和定義方程基本輻射度量的名稱、符號(hào)和定義方程dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/33de)(03435363738在引起相同的視覺(jué)響應(yīng)條件下，在引起相同的視覺(jué)響應(yīng)條件下，若在若在附近所需要的光譜輻射功附近所需要的光譜輻射功率為率為dPdP，而對(duì)，而對(duì)=555nm=555nm所需要所需要的光譜輻射功率為的光譜輻射功率為dPdP555555，則定義，則定義 V V=dP=dP555555/dP/dP 光譜光視效率光譜光視效率3940白晝視覺(jué)和黃昏視覺(jué)白晝視覺(jué)和黃昏視覺(jué) 黃昏視覺(jué)黃昏視覺(jué)指人眼在