第七章其它物理效應(yīng)

1、第六章其它物理效應(yīng)第六章其它物理效應(yīng) 當(dāng)光由光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)入射，入射角當(dāng)光由光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)入射，入射角 大于臨界角大于臨界角 時，便會發(fā)生時，便會發(fā)生全反射全反射，界面將能，界面將能量全部反回第一種媒質(zhì)，但這并不是說第二種媒量全部反回第一種媒質(zhì)，但這并不是說第二種媒質(zhì)中沒有光波電磁場。質(zhì)中沒有光波電磁場。 第一節(jié)光隧道效應(yīng)光隧道效應(yīng) 利用電磁場理論，可以得到，利用電磁場理論，可以得到，當(dāng)入射角大于臨界角時，當(dāng)入射角大于臨界角時，第二種媒質(zhì)中的電場分量為：第二種媒質(zhì)中的電場分量為：EzE0 exp-(2/) n12sin2in22zexp-i (txsini /1) 代表光波在第一種媒質(zhì)

2、中傳播的速度代表光波在第一種媒質(zhì)中傳播的速度上式描繪了上式描繪了一個振幅隨的增加一個振幅隨的增加而衰減，等相面以速度而衰減，等相面以速度 sin 沿軸傳播的非均勻波沿軸傳播的非均勻波消逝消逝波波。如圖。如圖1（a）所示，）所示，等幅面等幅面是平行界面常數(shù)的面是平行界面常數(shù)的面等相面等相面是垂直界面常數(shù)的面是垂直界面常數(shù)的面如果界面有極微小的起伏，如圖如果界面有極微小的起伏，如圖1（b）所示，則等幅面也跟）所示，則等幅面也跟隨著起伏，表面的形貌信息便反隨著起伏，表面的形貌信息便反映到等幅面形狀上了。依上式可映到等幅面形狀上了。依上式可知，知， Z/2 (n1 sini)2n22在在 處振幅下降為

3、界面處的處振幅下降為界面處的/，為穿透深度。，為穿透深度。圖光全反射 光導(dǎo)纖維內(nèi)的全反射光導(dǎo)纖維內(nèi)的全反射光的全反射現(xiàn)象用來制造光的全反射現(xiàn)象用來制造光纖，用兩種折射率不同的玻光纖，用兩種折射率不同的玻璃拉成同軸電纜似的細細的光璃拉成同軸電纜似的細細的光導(dǎo)纖維絲。如圖導(dǎo)纖維絲。如圖2所示，所示，中心折射率大，外層折射率小中心折射率大，外層折射率小，圖左表朋了折射率的徑向變化。圖左表朋了折射率的徑向變化。由于全反射，光線經(jīng)受不斷反由于全反射，光線經(jīng)受不斷反射向前傳播射向前傳播。將大量光纖集成。將大量光纖集成一束（光纜），既可以傳送圖一束（光纜），既可以傳送圖象，也可以傳送聲音。因為光象，也可以傳

4、送聲音。因為光纖有信息傳輸容量大，又可避纖有信息傳輸容量大，又可避免電磁干擾等特點，促使各國免電磁干擾等特點，促使各國近年來不借耗資發(fā)展光纖通訊。近年來不借耗資發(fā)展光纖通訊。圖光導(dǎo)纖維光纖除用于通訊外，還可以制作各光纖除用于通訊外，還可以制作各種光纖傳感器及各種特殊器件，如種光纖傳感器及各種特殊器件，如光纖陀螺等。光纖陀螺等。 現(xiàn)在，回到圖現(xiàn)在，回到圖6-1(a) 若在第二種媒若在第二種媒質(zhì)質(zhì)(如空氣中如空氣中)，象圖，象圖6-1(a) 那樣，那樣，圖光學(xué)隧道效應(yīng) 光通過折射率為光通過折射率為n1的介質(zhì)發(fā)生的介質(zhì)發(fā)生全反射，在距離介質(zhì)全反射，在距離介質(zhì)n1和和n2界面很界面很近處，放一折射率為

5、近處，放一折射率為 n 3 的棱鏡（的棱鏡（n 3 n 2，或等于，或等于 n 1，這時會發(fā)現(xiàn)，這時會發(fā)現(xiàn)，只要間隔足夠小只要間隔足夠小(小于穿透深度），小于穿透深度），媒質(zhì)媒質(zhì)n1中的全反射會受到抑制，光中的全反射會受到抑制，光線將能穿越線將能穿越n2進入媒質(zhì)進入媒質(zhì)n3 區(qū)，這現(xiàn)區(qū)，這現(xiàn)象稱為象稱為光學(xué)隧道效應(yīng)光學(xué)隧道效應(yīng)。它與電子穿透勢壘的隧道效應(yīng)類似，它與電子穿透勢壘的隧道效應(yīng)類似，是光的波動性必然結(jié)果。是光的波動性必然結(jié)果。 光學(xué)隧道效應(yīng)可目來實現(xiàn)光信號光學(xué)隧道效應(yīng)可目來實現(xiàn)光信號的耦合，它在集成光學(xué)、光纖技術(shù)的耦合，它在集成光學(xué)、光纖技術(shù)中十分有用。圖中十分有用。圖6-3（b）表明

6、光信）表明光信號向光波導(dǎo)薄膜的耦合。號向光波導(dǎo)薄膜的耦合。 圖圖6-4明兩條光纖通過光學(xué)隧道效明兩條光纖通過光學(xué)隧道效應(yīng)實現(xiàn)耦會構(gòu)成邁克遜干涉儀式的應(yīng)實現(xiàn)耦會構(gòu)成邁克遜干涉儀式的光纖通訊系統(tǒng)。圖中光耦合器是通光纖通訊系統(tǒng)。圖中光耦合器是通過燒融或磨合將兩根光纖的一部分過燒融或磨合將兩根光纖的一部分靠得很近，在此，可以由光學(xué)隧道靠得很近，在此，可以由光學(xué)隧道效應(yīng)實現(xiàn)耦合。效應(yīng)實現(xiàn)耦合。圖光耦合與光通訊 從光源傳入光纖段的光，在耦合器一分為二，一路沿，一路沿從光源傳入光纖段的光，在耦合器一分為二，一路沿，一路沿C，這兩路光在光纖端面被反射，這兩路反射光經(jīng)耦合器合光進入段，這兩路光在光纖端面被反射，

7、這兩路反射光經(jīng)耦合器合光進入段，由光電探測器接收，即由光電探測器接收，即，兩段的光程差決定了光電探測器的信號，兩段的光程差決定了光電探測器的信號強度強度?，F(xiàn)在若把錄音機或收音機輸出的音頻信號電壓加到壓電陶瓷上，?，F(xiàn)在若把錄音機或收音機輸出的音頻信號電壓加到壓電陶瓷上，電信號就變成了壓電陶瓷的機械振動，引起段光程，即、兩段電信號就變成了壓電陶瓷的機械振動，引起段光程，即、兩段的光程差發(fā)生變化，使音頻信號載于光波之上，光探測器接收的干涉的光程差發(fā)生變化，使音頻信號載于光波之上，光探測器接收的干涉信號也就隨音頻而變化。再把這信號放大推動揚聲器，便完成了聲音信號也就隨音頻而變化。再把這信號放大推動揚聲

8、器，便完成了聲音從光纖的一端到另一端的傳遞。從光纖的一端到另一端的傳遞。光纖耦合器起到邁克遜干涉儀中分光纖耦合器起到邁克遜干涉儀中分束器的作用束器的作用，在這里實現(xiàn)分光和合光在這里實現(xiàn)分光和合光，其中一根光纖纏繞在圓柱形壓電陶瓷其中一根光纖纏繞在圓柱形壓電陶瓷上、上、壓電陶瓷的徑向伸縮可改變光纖壓電陶瓷的徑向伸縮可改變光纖的長度，相當(dāng)邁克遜干涉儀中反射鏡的長度，相當(dāng)邁克遜干涉儀中反射鏡的移動，起到了改變光程的作用。的移動，起到了改變光程的作用。 光纖器件有體積小、重量輕、光纖器件有體積小、重量輕、寬頻帶、容量大等優(yōu)點，正在軍寬頻帶、容量大等優(yōu)點，正在軍事和高新技術(shù)中越來越受到重視。事和高新技術(shù)

9、中越來越受到重視。新近，利用光隧道效應(yīng)原理發(fā)展新近，利用光隧道效應(yīng)原理發(fā)展了一種探側(cè)表面形貌的激光光隧了一種探側(cè)表面形貌的激光光隧道顯微鏡。由圖（）可道顯微鏡。由圖（）可見，消逝波的等幅面包含表面形見，消逝波的等幅面包含表面形貌信息，貌信息，用一根光導(dǎo)纖維做成的用一根光導(dǎo)纖維做成的探針，掃描等幅面，就可得知表探針，掃描等幅面，就可得知表面面“地形地形”，因為光隧道效應(yīng)，因為光隧道效應(yīng)，光纖探針?biāo)教幍娜瓷涫艿揭止饫w探針?biāo)教幍娜瓷涫艿揭种?，有光隧穿進入光纖的光可由制，有光隧穿進入光纖的光可由光電探測器檢測。圖光電探測器檢測。圖5表明表明激光光隧道顯微鏡的示意方塊圖，激光光隧道顯微鏡的示意方

10、塊圖，激光束打在樣品表面，形成消逝激光束打在樣品表面，形成消逝場，場，圖光隧道顯微鏡示意圖 在壓電陶瓷掃描控制系統(tǒng)的控制下，讓光纖探頭對消逝場作等場強在壓電陶瓷掃描控制系統(tǒng)的控制下，讓光纖探頭對消逝場作等場強（等幅面）掃描，根據(jù)光電倍增管反饋回的信號，在掃描，時。（等幅面）掃描，根據(jù)光電倍增管反饋回的信號，在掃描，時。調(diào)節(jié)探針的高度，使光電倍增管的信號在掃描中保持在一個給定的調(diào)節(jié)探針的高度，使光電倍增管的信號在掃描中保持在一個給定的值，提取、位置對應(yīng)的，經(jīng)圖象處理和顯示系統(tǒng)就可看到樣品值，提取、位置對應(yīng)的，經(jīng)圖象處理和顯示系統(tǒng)就可看到樣品表面的形貌圖象。表面的形貌圖象。第二節(jié)彈光效應(yīng)第二節(jié)彈光

11、效應(yīng) 1816年年Sir Davld Brewstet 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)透明的各向同性物質(zhì)會由于應(yīng)力透明的各向同性物質(zhì)會由于應(yīng)力而出現(xiàn)光學(xué)各向異性而出現(xiàn)光學(xué)各向異性，原來不具原來不具雙折射的各向同性物質(zhì)表露出力雙折射的各向同性物質(zhì)表露出力致雙折射的現(xiàn)象，稱為彈光效應(yīng)致雙折射的現(xiàn)象，稱為彈光效應(yīng)（photoclasticity）。）。圖66彈光效應(yīng) 如圖如圖6（a）所示，將試樣放在兩個光軸互相垂直的偏振片之間，）所示，將試樣放在兩個光軸互相垂直的偏振片之間，自然光通過偏振片成為偏振光照射在試樣上，當(dāng)對試樣加壓，在自然光通過偏振片成為偏振光照射在試樣上，當(dāng)對試樣加壓，在偏振片之后便可觀察到彩色干涉條紋。這

12、是因為加壓后，試樣成偏振片之后便可觀察到彩色干涉條紋。這是因為加壓后，試樣成了人為雙折射物質(zhì)，光軸如圖中虛線所示。平行主截面（了人為雙折射物質(zhì)，光軸如圖中虛線所示。平行主截面（e光一非常光一非常光）的光振動和垂直主截面（光）的光振動和垂直主截面（o光一尋常光）的光振動的傳播速度，光一尋常光）的光振動的傳播速度，或試樣對二者表現(xiàn)的折射率不同或試樣對二者表現(xiàn)的折射率不同,e光、光、o 光折射率之差與壓強光折射率之差與壓強P的關(guān)的關(guān)系為：系為：式中式中K為比例系數(shù)。為比例系數(shù)。各向同性的透明材料，在壓力或各向同性的透明材料，在壓力或拉力作用下好似成了負(fù)的或正的拉力作用下好似成了負(fù)的或正的單軸晶體，光

13、軸處于應(yīng)力方位，單軸晶體，光軸處于應(yīng)力方位，誘導(dǎo)出的雙折射效應(yīng)正比于應(yīng)力。誘導(dǎo)出的雙折射效應(yīng)正比于應(yīng)力。 彈光效應(yīng)彈光效應(yīng)壓強造成試樣內(nèi)部的應(yīng)力，應(yīng)力的存在，改變了材料的光學(xué)性質(zhì)。壓強造成試樣內(nèi)部的應(yīng)力，應(yīng)力的存在，改變了材料的光學(xué)性質(zhì)。不是所有物質(zhì)都有明顯的彈光效應(yīng)，環(huán)氧樹脂，玻璃，賽璐璐等不是所有物質(zhì)都有明顯的彈光效應(yīng)，環(huán)氧樹脂，玻璃，賽璐璐等為彈光敏感物質(zhì)。為彈光敏感物質(zhì)。 彈光效應(yīng)提供了研究機械零件，建筑構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布的一個彈光效應(yīng)提供了研究機械零件，建筑構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布的一個有力方法，在材料力學(xué)測試領(lǐng)域構(gòu)成了光彈技術(shù)，實現(xiàn)這種技術(shù)有力方法，在材料力學(xué)測試領(lǐng)域構(gòu)成了光彈技術(shù)，實現(xiàn)這種

14、技術(shù)的方法是用環(huán)氧樹脂仿照實物制作一個縮小的模型，按實際運行的方法是用環(huán)氧樹脂仿照實物制作一個縮小的模型，按實際運行中受力情況對模型施加外力，象圖中受力情況對模型施加外力，象圖(b)那樣將模型置于兩個那樣將模型置于兩個光軸互相垂直的偏振片之間，通過偏振片光軸互相垂直的偏振片之間，通過偏振片2就可觀察到如圖就可觀察到如圖(C) 所示的干涉條紋，偏光干涉條紋的分布反映了試樣中應(yīng)力的分所示的干涉條紋，偏光干涉條紋的分布反映了試樣中應(yīng)力的分布。條紋密集的地方應(yīng)力大，稀疏之處應(yīng)力小布。條紋密集的地方應(yīng)力大，稀疏之處應(yīng)力小 ，依此可對應(yīng)力分，依此可對應(yīng)力分布作定性了解，隨著光彈技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合，采用激

15、光作光布作定性了解，隨著光彈技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合，采用激光作光源發(fā)展出基于二次曝光的全息光彈技術(shù)，使光彈技術(shù)更趨完美。源發(fā)展出基于二次曝光的全息光彈技術(shù)，使光彈技術(shù)更趨完美。 有些材料如玻璃，由于加工制造，內(nèi)部會存在內(nèi)應(yīng)力，縱使不有些材料如玻璃，由于加工制造，內(nèi)部會存在內(nèi)應(yīng)力，縱使不施加外力力，也能觀察到偏光干涉條紋，因此彈光效應(yīng)也可用來施加外力力，也能觀察到偏光干涉條紋，因此彈光效應(yīng)也可用來檢查玻璃器件（如透鏡）中是否存主內(nèi)應(yīng)力。檢查玻璃器件（如透鏡）中是否存主內(nèi)應(yīng)力。 第三節(jié)激光致冷和第三節(jié)激光致冷和“光鑷光鑷”效應(yīng)效應(yīng) 激光致冷的設(shè)想是激光致冷的設(shè)想是Theodor Hansch和和Ar

16、thur Schawlow于于 首先提出來的，它是首先提出來的，它是利利用激光的輻射壓力阻尼中性氣體用激光的輻射壓力阻尼中性氣體原子熱運動達到降低溫度的原子熱運動達到降低溫度的。如。如圖圖6-7所示，在激光致冷實驗中，所示，在激光致冷實驗中，原子射束中的原子，使反向傳播原子射束中的原子，使反向傳播的激光束中的光子發(fā)生共振散射，的激光束中的光子發(fā)生共振散射，原子速度便減慢下來。原子速度便減慢下來。圖6-7激光束對原子產(chǎn)生的散射力散 光于被原子共振散射光于被原子共振散射,可分成兩步來考慮可分成兩步來考慮:原子吸收光子和原子發(fā)射光子原子吸收光子和原子發(fā)射光子，在吸收光子的瞬間，原子在光子傳播方向即原

17、子運動的相反方向獲得了動在吸收光子的瞬間，原子在光子傳播方向即原子運動的相反方向獲得了動量增量，形成了對原子的阻力量增量，形成了對原子的阻力，在原子發(fā)射光子的瞬間，由于發(fā)射沒有特在原子發(fā)射光子的瞬間，由于發(fā)射沒有特定的方向，向各個方向發(fā)射的幾率相等，因此原子發(fā)射光子的平均沖力為定的方向，向各個方向發(fā)射的幾率相等，因此原子發(fā)射光子的平均沖力為零零。大量光子不斷被吸收，原子獲得一連串沖擊阻力，由上可知，光子原。大量光子不斷被吸收，原子獲得一連串沖擊阻力，由上可知，光子原子共振散射的凈效果是原子在運動的相反方向受到阻力，稱為散射力。散子共振散射的凈效果是原子在運動的相反方向受到阻力，稱為散射力。散射

18、力大小比例于光子動量和散射速率（即單位時間內(nèi)原子散射光子數(shù)目）。射力大小比例于光子動量和散射速率（即單位時間內(nèi)原子散射光子數(shù)目）。 在共振散射時，散射力最大在共振散射時，散射力最大,隨著原子速度減小隨著原子速度減小,由于多普勒效應(yīng)，共振由于多普勒效應(yīng)，共振散射條件得不到滿足，阻尼效果變壞。為了在原子減慢下來時，仍保持大散射條件得不到滿足，阻尼效果變壞。為了在原子減慢下來時，仍保持大的阻尼散射力，一個曾經(jīng)用過的方法是調(diào)諧激光頻率，以抵消多普勒頻移。的阻尼散射力，一個曾經(jīng)用過的方法是調(diào)諧激光頻率，以抵消多普勒頻移。 一個無需調(diào)諧光頻率的方法是一個無需調(diào)諧光頻率的方法是采用兩束反向傳播的激光照射中性

19、原子采用兩束反向傳播的激光照射中性原子，一束與中性原子運動方向相反，一束與中性原子運動方向相同。由于多晉一束與中性原子運動方向相反，一束與中性原子運動方向相同。由于多晉勒效應(yīng)，勒效應(yīng)，中性原子感受到反向傳播的光束其頻率升高，而同向光束頻率降中性原子感受到反向傳播的光束其頻率升高，而同向光束頻率降低低。對于前者，光子的散射幾率較大，所以。對于前者，光子的散射幾率較大，所以二者的總效果仍然是在與中性二者的總效果仍然是在與中性粒子運動的相反方向產(chǎn)生散射力粒子運動的相反方向產(chǎn)生散射力。為了使中性原于的三維運動受到阻尼，。為了使中性原于的三維運動受到阻尼，需使用三組互相垂直的反向傳播的激光束照射中性原子

20、需使用三組互相垂直的反向傳播的激光束照射中性原子,這樣這樣,中性原子各中性原子各方位的熱運動被減慢而冷卻，即方位的熱運動被減慢而冷卻，即激光致冷原理激光致冷原理。 利用激光冷卻原子或離子，使速度減慢甚至靜止，用激光已可冷卻到利用激光冷卻原子或離子，使速度減慢甚至靜止，用激光已可冷卻到“毫升毫升”的范圍，新近已用激光使一束鈉原子實際上達到了靜止?fàn)顟B(tài)。的范圍，新近已用激光使一束鈉原子實際上達到了靜止?fàn)顟B(tài)。激激光致冷的主要動機是要消除發(fā)光原子一級多普勒頻移和二級多普勒頻移光致冷的主要動機是要消除發(fā)光原子一級多普勒頻移和二級多普勒頻移（對后者，頻移與粒子動能成正比），以（對后者，頻移與粒子動能成正比）

21、，以建立更好的頻率標(biāo)準(zhǔn)建立更好的頻率標(biāo)準(zhǔn)，已有人建，已有人建議將光學(xué)頻標(biāo)作為下一代原子鐘的候選者。頻標(biāo)對計時、導(dǎo)航和精密計量議將光學(xué)頻標(biāo)作為下一代原子鐘的候選者。頻標(biāo)對計時、導(dǎo)航和精密計量極為重要。極為重要。 如果使光束的光強形成一定的分布如果使光束的光強形成一定的分布（如高斯型的光強分布），（如高斯型的光強分布），光場從光場從中性粒子誘導(dǎo)的偶極子將趨于移到局部光強極大處中性粒子誘導(dǎo)的偶極子將趨于移到局部光強極大處，這樣一個光束的中心這樣一個光束的中心線好象一個中性粒于的線好象一個中性粒于的“陷阱陷阱”，能抓住或陷入冷卻的中性粒子，能抓住或陷入冷卻的中性粒子，使之隨使之隨著光束的移動而移動，這

22、光束象一把鑷于著光束的移動而移動，這光束象一把鑷于，這現(xiàn)象稱為，這現(xiàn)象稱為“光鑷光鑷”效應(yīng)效應(yīng)。利用激光的利用激光的“光鑷光鑷”效應(yīng)可以捕獲并操縱中性粒子，效應(yīng)可以捕獲并操縱中性粒子，“光鑷光鑷”技術(shù)在細技術(shù)在細胞、線粒體和染色體等三個不同生物學(xué)層次的研究中有重要的應(yīng)用，己有胞、線粒體和染色體等三個不同生物學(xué)層次的研究中有重要的應(yīng)用，己有人利用人利用“光鑷光鑷”于將單個于將單個DNA分子拉直，觀察微生物在光鑷中的運動等。分子拉直，觀察微生物在光鑷中的運動等。 第四節(jié)麥克斯韋瓦格納效應(yīng)第四節(jié)麥克斯韋瓦格納效應(yīng) 設(shè)想電容器的兩個極板間設(shè)想電容器的兩個極板間填滿介電常數(shù)填滿介電常數(shù)和電和電導(dǎo)率導(dǎo)率i

23、不同的不均勻物質(zhì)不同的不均勻物質(zhì)，當(dāng)施加階躍電壓，當(dāng)施加階躍電壓時，在開始瞬間，電勢分布僅決定于介電常數(shù)時，在開始瞬間，電勢分布僅決定于介電常數(shù)的分布，與電導(dǎo)率的分布，與電導(dǎo)率i（或電阻率（或電阻率1/i）無關(guān)。但電勢的穩(wěn)定分布僅決定于電阻率無關(guān)。但電勢的穩(wěn)定分布僅決定于電阻率的的分布。這里是按非常理想的情況，忽略不同介質(zhì)分布。這里是按非常理想的情況，忽略不同介質(zhì)邊界上電荷積累的影響考慮的。邊界上電荷積累的影響考慮的。 這種非均勻介電常數(shù)短時間（或高頻）的這種非均勻介電常數(shù)短時間（或高頻）的“電電容性容性”電壓分布，演變?yōu)榉蔷鶆螂娮杪实拈L時間電壓分布，演變?yōu)榉蔷鶆螂娮杪实拈L時間（或低頻）的電阻

24、性電壓分布的弛豫現(xiàn)象（或低頻）的電阻性電壓分布的弛豫現(xiàn)象，稱為，稱為麥麥克斯韋瓦格納效應(yīng)克斯韋瓦格納效應(yīng)。 麥克斯韋瓦格納效應(yīng)麥克斯韋瓦格納效應(yīng) 可以通過分析如圖可以通過分析如圖6-8所示的雙層所示的雙層結(jié)構(gòu)來理解這個效應(yīng)結(jié)構(gòu)來理解這個效應(yīng),圖圖(a) 表示介表示介電常數(shù)和電導(dǎo)率分別為電常數(shù)和電導(dǎo)率分別為 、 和和 、的雙層結(jié)構(gòu)，圖（的雙層結(jié)構(gòu)，圖（b）表示它的等效電路。如果給圖表示它的等效電路。如果給圖(b) 電路加一電路加一階躍電壓階躍電壓, 這階躍電壓的這階躍電壓的前沿突變部分對應(yīng)著高頻分量前沿突變部分對應(yīng)著高頻分量，平頂恒定部分對應(yīng)低頻或直流分平頂恒定部分對應(yīng)低頻或直流分量量，電容對高

25、頻分量顯示低阻抗，電容對高頻分量顯示低阻抗，對低頻分量顯示高阻抗，對直流對低頻分量顯示高阻抗，對直流分量相當(dāng)無窮大阻抗。分量相當(dāng)無窮大阻抗。 圖雙層電容和它的等效電路 階躍的起始時刻（高頻作用），電容階躍的起始時刻（高頻作用），電容C阻抗小，相對來說，電阻可看成斷阻抗小，相對來說，電阻可看成斷路，因此電壓按電容分布，當(dāng)長時穩(wěn)定后（直流作用）與電阻相比，電容路，因此電壓按電容分布，當(dāng)長時穩(wěn)定后（直流作用）與電阻相比，電容可以看成斷路，電壓按電阻分布，可以看成斷路，電壓按電阻分布，由電壓按電容分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷喊措娮璺钟呻妷喊措娙莘植嫁D(zhuǎn)變?yōu)殡妷喊措娮璺植?，這會有一個過渡（弛豫）過程布，這會有一個過渡（

26、弛豫）過程，這可以依歐姆定律列出微分方程來求，這可以依歐姆定律列出微分方程來求解電壓分布的時間變化。對于解電壓分布的時間變化。對于、混雜分布的介質(zhì)，可以想象成一混雜分布的介質(zhì)，可以想象成一個復(fù)雜阻容網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)某兩點之間接入驅(qū)動電壓，然后探測各點的個復(fù)雜阻容網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)某兩點之間接入驅(qū)動電壓，然后探測各點的電勢分布，電勢的分布與阻容（電勢分布，電勢的分布與阻容（、）分布相關(guān)聯(lián)。利用這個道理）分布相關(guān)聯(lián)。利用這個道理可以獲取材料的電阻抗的可以獲取材料的電阻抗的“像像”，以確定不均勻系統(tǒng)的局域狀況，這種技，以確定不均勻系統(tǒng)的局域狀況，這種技術(shù)已經(jīng)成功地在生物系統(tǒng)和醫(yī)療中得到應(yīng)用，可以形成類

27、似術(shù)已經(jīng)成功地在生物系統(tǒng)和醫(yī)療中得到應(yīng)用，可以形成類似CT一樣的斷一樣的斷層照片。層照片。第五節(jié)卡斯米爾效應(yīng)第五節(jié)卡斯米爾效應(yīng) 什么是真空？真空詞容易使人想到一無所有。可能還什么是真空？真空詞容易使人想到一無所有。可能還有人保待著有人保待著7世記智者的觀念認(rèn)為創(chuàng)造一個真空就是世記智者的觀念認(rèn)為創(chuàng)造一個真空就是將其中的將其中的物質(zhì)掏空物質(zhì)掏空，特別是要把，特別是要把氣體抽走氣體抽走。到世。到世紀(jì)末紀(jì)末2世紀(jì)初，人們了解了熱輻射，世紀(jì)初，人們了解了熱輻射， 于是覺得于是覺得17世世紀(jì)的真空觀念中，原來也不是一無所有，里面還有紀(jì)的真空觀念中，原來也不是一無所有，里面還有熱熱輻射輻射呢。自然有人想到熱

28、輻射是可以通過降低溫度來呢。自然有人想到熱輻射是可以通過降低溫度來減弱的，減到絕對零度熱輻射便被徹底消除了。達到減弱的，減到絕對零度熱輻射便被徹底消除了。達到絕對零度是否達到了真正的真空？絕對零度是否達到了真正的真空？ 1948年荷蘭菲利普研究所的卡斯米爾做年荷蘭菲利普研究所的卡斯米爾做實驗、研究靠得很近的金屬板之間的力。當(dāng)然，板上實驗、研究靠得很近的金屬板之間的力。當(dāng)然，板上若帶正負(fù)電荷若帶正負(fù)電荷q，近似成無限平板，根據(jù)靜電學(xué)可以預(yù)，近似成無限平板，根據(jù)靜電學(xué)可以預(yù)見它們之間的相互吸引力為見它們之間的相互吸引力為q2 / 20S (S為平板為平板面積面積)，這已作為習(xí)題，這已作為習(xí)題 編人

29、了許多大學(xué)物理教科書中，編人了許多大學(xué)物理教科書中，卡斯米爾實驗和分析的不是這種帶電的情形?？ㄋ姑谞枌嶒灪头治龅牟皇沁@種帶電的情形。 不帶電的兩塊金屬板，不帶電的兩塊金屬板，相距很近時會產(chǎn)生一種相互相距很近時會產(chǎn)生一種相互吸引的力，這稱為卡斯米爾效應(yīng)。吸引的力，這稱為卡斯米爾效應(yīng)?？ㄋ姑谞栃?yīng)卡斯米爾效應(yīng) 設(shè)想空間設(shè)想空間沒有任何氣體分于沒有任何氣體分于，但，但存在存在熱輻射熱輻射，每塊板的兩面都，每塊板的兩面都受到電受到電磁波的撞擊磁波的撞擊（反射波、入射波形（反射波、入射波形成如成如圖（圖（b）的駐波）的駐波），力趨于抵），力趨于抵消，但不是完全抵消，還有一部分抵消，但不是完全抵消，還有一

30、部分抵消不了的殘余力，這力與板面積成正消不了的殘余力，這力與板面積成正比，還決定干兩板之間的距離和電磁比，還決定干兩板之間的距離和電磁輻射的能譜，方向趨于使兩板靠近。輻射的能譜，方向趨于使兩板靠近。圖（）表明電磁波反射形成圖（）表明電磁波反射形成駐波的示意，在兩板之外的空間，各駐波的示意，在兩板之外的空間，各種波長的駐波都可形成，種波長的駐波都可形成，而兩板之間而兩板之間垂直板面的方位垂直板面的方位 2 的電磁波的電磁波不能形成駐波不能形成駐波，對一塊板來說，明顯對一塊板來說，明顯地出現(xiàn)了不平衡地出現(xiàn)了不平衡。熱輻射在溫度降至。熱輻射在溫度降至0 K使消失，因此在使消失，因此在0 K下，兩下，

31、兩板的吸力應(yīng)消除，但實驗否定了這一板的吸力應(yīng)消除，但實驗否定了這一預(yù)言。預(yù)言?？ㄋ姑谞栃?yīng)卡斯米爾效應(yīng)1958年荷蘭物理學(xué)家年荷蘭物理學(xué)家M.J.Sparnaay在卡斯米爾設(shè)想下進行了一系列實驗，發(fā)在卡斯米爾設(shè)想下進行了一系列實驗，發(fā)現(xiàn)溫度降到極低，力也不趨于零，縱使現(xiàn)溫度降到極低，力也不趨于零，縱使0K，這殘余力仍存在，且查清這力與，這殘余力仍存在，且查清這力與板面積成正比，與兩板間距離的四次方成反比，比例常數(shù)為板面積成正比，與兩板間距離的四次方成反比，比例常數(shù)為1.3X10-18爾格爾格厘米。厘米。當(dāng)面積為當(dāng)面積為相距相距0.5m，兩板間的卡斯米爾力相當(dāng)于，兩板間的卡斯米爾力相當(dāng)于0.2毫

32、克力。毫克力。這就說明，這就說明，縱使縱使0K，真空也不是一無所有，仍然存在電磁輻射場，真空也不是一無所有，仍然存在電磁輻射場, 這輻射稱這輻射稱為零點輻射為零點輻射。正是這種輻射場形成了。正是這種輻射場形成了Sparnaay 所測量到的兩板吸引力。所測量到的兩板吸引力。真空似空非空，縱使空間不存在實物，也不存在熱輻射，那空間仍存在零點真空似空非空，縱使空間不存在實物，也不存在熱輻射，那空間仍存在零點電磁輻射場，它是真空固有的特征，是目前還無法消除的。電磁輻射場，它是真空固有的特征，是目前還無法消除的。卡斯米爾實驗中測得的卡斯米爾實驗中測得的力有兩個分量力有兩個分量，一是熱輻射產(chǎn)生的力，它正比

33、于溫度，一是熱輻射產(chǎn)生的力，它正比于溫度，反比于兩板間距離的三次方，這個力到反比于兩板間距離的三次方，這個力到0K時消失時消失；另一個分量是零點電磁場另一個分量是零點電磁場產(chǎn)生的，它與溫度無關(guān)，與兩板間距離的四次方成反比。產(chǎn)生的，它與溫度無關(guān)，與兩板間距離的四次方成反比。零點輻射有什么特點？零點輻射有什么特點？它應(yīng)該是空間均勻、各向同性的、零點輻射能譜應(yīng)與它應(yīng)該是空間均勻、各向同性的、零點輻射能譜應(yīng)與觀察者速度無關(guān)觀察者速度無關(guān)。為了保持洛侖茲變換下的能譜不變性，任意頻率的輻射強度。為了保持洛侖茲變換下的能譜不變性，任意頻率的輻射強度應(yīng)與頻率的三次方成正比，比例常數(shù)為普朗克常數(shù)之半，即應(yīng)與頻率

34、的三次方成正比，比例常數(shù)為普朗克常數(shù)之半，即3.3x10-27爾格爾格秒，秒，只有這樣才能只有這樣才能使頻率隨觀察者速度的變化（多普勒效應(yīng)）與強度隨觀察者速度使頻率隨觀察者速度的變化（多普勒效應(yīng)）與強度隨觀察者速度的變化相抵償，而使頻譜與觀察者速度無關(guān)的變化相抵償，而使頻譜與觀察者速度無關(guān)?？ㄋ姑谞柡涂ㄋ姑谞柡蚐parnaay的實驗表明零點電磁場的存在。對零點場正在探索中的實驗表明零點電磁場的存在。對零點場正在探索中, 隨隨機電動力學(xué)是探討零點場的理論之一。機電動力學(xué)是探討零點場的理論之一。第六節(jié)第六節(jié) 同位素效應(yīng)與激光同位素分離同位素效應(yīng)與激光同位素分離 原子核中質(zhì)于數(shù)相同、中子數(shù)不同、處于

35、元素周期表中同一位置原子核中質(zhì)于數(shù)相同、中子數(shù)不同、處于元素周期表中同一位置的原子謂之同位素的原子謂之同位素。或者說是同一元素的不同原子，它是?；蛘哒f是同一元素的不同原子，它是1910年年索迪根據(jù)放射性的實驗事實發(fā)現(xiàn)的，并因此于索迪根據(jù)放射性的實驗事實發(fā)現(xiàn)的，并因此于1921年獲得了諾貝年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。爾化學(xué)獎。每種元素的同位素數(shù)目不同，有的具有每種元素的同位素數(shù)目不同，有的具有3種、種、4種、甚至種、甚至10種同位種同位素。（如錫）也有僅素。（如錫）也有僅1種原子的元素。種原子的元素。(如鈹如鈹)。最普通的氫元素有。最普通的氫元素有3種同位素，分別為氕種同位素，分別為氕(氫氫)、氘、氘

36、(重氫重氫)、氚、氚(超重氫超重氫)，氕與氧生成普，氕與氧生成普通水（通水（H2O），氘與氧氣生成重水（），氘與氧氣生成重水（HDO，H2O）。鈾有）。鈾有、三種同位素。三種同位素。同位素的主要差別表現(xiàn)在核性質(zhì)上同位素的主要差別表現(xiàn)在核性質(zhì)上，原子核的體積大小，核電荷原子核的體積大小，核電荷的分布是不同的的分布是不同的. 核性質(zhì)差別首先表現(xiàn)在放射性上。核性質(zhì)差別首先表現(xiàn)在放射性上。如如(鈾鈾)的三種同位素中的三種同位素中,U235在熱中子和慢中子作用下會發(fā)生裂在熱中子和慢中子作用下會發(fā)生裂變反應(yīng)；變反應(yīng)；U238僅在快中子作用下才發(fā)生裂變反應(yīng)；僅在快中子作用下才發(fā)生裂變反應(yīng)；U234無論在什么

37、無論在什么情況下也不發(fā)生裂變。硼的兩種同位素中，情況下也不發(fā)生裂變。硼的兩種同位素中，10能有效地吸收熱中能有效地吸收熱中子，而子，而B11不具這種特性，故不具這種特性，故B10可做核反應(yīng)堆的控制捧材料?？勺龊朔磻?yīng)堆的控制捧材料。同位素效應(yīng)與激光同位素分離同位素效應(yīng)與激光同位素分離 然而，同種元素的同位素的物理化學(xué)性質(zhì)卻很相似。然而，同種元素的同位素的物理化學(xué)性質(zhì)卻很相似。通常同種元素的同位素混合在一起參與化學(xué)反應(yīng)和物通常同種元素的同位素混合在一起參與化學(xué)反應(yīng)和物理變化，如水在一個大氣壓下于理變化，如水在一個大氣壓下于C沸騰，人沸騰，人們幾乎未能感受到含量極微的重水對沸點的影響；同們幾乎未能感

38、受到含量極微的重水對沸點的影響；同位素的化學(xué)性質(zhì)也基本相同，在低分辯率的光譜儀中，位素的化學(xué)性質(zhì)也基本相同，在低分辯率的光譜儀中，它們的光譜特性大致相同，倘若采用足以看清光譜超它們的光譜特性大致相同，倘若采用足以看清光譜超精細結(jié)構(gòu)的高分辯率光譜儀，同種元素的同位素的光精細結(jié)構(gòu)的高分辯率光譜儀，同種元素的同位素的光譜位移和差別就可展現(xiàn)在眼前。譜位移和差別就可展現(xiàn)在眼前。這種這種同位素光譜頻率的微小位移同位素光譜頻率的微小位移，稱為同位素效應(yīng)。，稱為同位素效應(yīng)。同位素頻譜的位移是由于核質(zhì)量、核體積和核電荷分布同位素頻譜的位移是由于核質(zhì)量、核體積和核電荷分布的不同所致。通過分析研究，質(zhì)量引起的位移效

39、應(yīng)和體的不同所致。通過分析研究，質(zhì)量引起的位移效應(yīng)和體積引起的位移效應(yīng)正好相反。積引起的位移效應(yīng)正好相反。同位素效應(yīng)與激光同位素分離同位素效應(yīng)與激光同位素分離相對位移相對位移 / 1 / M2（M為原子核質(zhì)量），對中子數(shù)小于為原子核質(zhì)量），對中子數(shù)小于的輕元素，同位素頻移主要來自于質(zhì)量效應(yīng)；對中于數(shù)大于的輕元素，同位素頻移主要來自于質(zhì)量效應(yīng)；對中于數(shù)大于的重元素，同位素效應(yīng)主要來自體積因素。同種元素同位素光譜有的重元素，同位素效應(yīng)主要來自體積因素。同種元素同位素光譜有位移，說明同位素的能級結(jié)構(gòu)有差別。位移，說明同位素的能級結(jié)構(gòu)有差別。同位素的應(yīng)用極為廣泛，可以用作核燃料，如鈾同位素的應(yīng)用極為廣

40、泛，可以用作核燃料，如鈾，钚，钚等是等是用于原子彈和核反應(yīng)堆的重要核燃料，氘、氚是核聚變的重要燃料，用于原子彈和核反應(yīng)堆的重要核燃料，氘、氚是核聚變的重要燃料，同位素在能源舞臺扮演著重要角色。放射性同位素，可以作為同位素在能源舞臺扮演著重要角色。放射性同位素，可以作為“示示蹤原子蹤原子”探索復(fù)雜、微妙的物理化學(xué)過程和有機體中的新陳代；醫(yī)探索復(fù)雜、微妙的物理化學(xué)過程和有機體中的新陳代；醫(yī)學(xué)上可以用同位素進行診斷和治療，以及藥理生理研究，總之，學(xué)上可以用同位素進行診斷和治療，以及藥理生理研究，總之，同位素已廣泛用于工、農(nóng)，醫(yī)、科學(xué)研究的各個方面。同位素已廣泛用于工、農(nóng)，醫(yī)、科學(xué)研究的各個方面。同位

41、素有如此廣泛的應(yīng)用，從混合物中分離出同位素就顯得特別重同位素有如此廣泛的應(yīng)用，從混合物中分離出同位素就顯得特別重要。歷史上，人們曾采用過多種方法來分離同位素，如電磁分離法、要。歷史上，人們曾采用過多種方法來分離同位素，如電磁分離法、氣體擴散法、氣體離心法，化學(xué)交換法等。電磁分離法是將同位素氣體擴散法、氣體離心法，化學(xué)交換法等。電磁分離法是將同位素高溫汽化并電離，然后通過一個磁場區(qū)，利用洛論茲力，使質(zhì)量不高溫汽化并電離，然后通過一個磁場區(qū)，利用洛論茲力，使質(zhì)量不同的同位素分離，與通常所說的質(zhì)譜儀的原理一樣；氣體擴散法是同的同位素分離，與通常所說的質(zhì)譜儀的原理一樣；氣體擴散法是讓氣體通過多級多孔膜

42、進行擴散，跑在最前面的是那些質(zhì)量小的同讓氣體通過多級多孔膜進行擴散，跑在最前面的是那些質(zhì)量小的同位素。位素。圖激光同位素分離 隨著單色性好、強度極高的隨著單色性好、強度極高的激光的出現(xiàn)，興起了一種新激光的出現(xiàn)，興起了一種新的同位素分離方法一激光的同位素分離方法一激光同位素分離。它依據(jù)的就是同位素分離。它依據(jù)的就是同位素效應(yīng)，循同位素原子同位素效應(yīng)，循同位素原子光譜或同位素化合物的分子光譜或同位素化合物的分子光譜上的差別或頻移，利用光譜上的差別或頻移，利用激光的高度單色性、高強度激光的高度單色性、高強度和頻率可調(diào)，將同位素混合和頻率可調(diào)，將同位素混合物中感興趣的某種同位素物中感興趣的某種同位素激

43、發(fā)到高能級激發(fā)態(tài)，而其它同位素未受激發(fā)，利用受激同位素原子激發(fā)到高能級激發(fā)態(tài)，而其它同位素未受激發(fā)，利用受激同位素原子(或或分子）與未受激同位素在物理或化學(xué)性質(zhì)上的不同，再采用適當(dāng)?shù)奈锢砘蚍肿樱┡c未受激同位素在物理或化學(xué)性質(zhì)上的不同，再采用適當(dāng)?shù)奈锢砘蚧瘜W(xué)方法將它們分離化學(xué)方法將它們分離,其方法有光電離法、光壓法、光化學(xué)法等其方法有光電離法、光壓法、光化學(xué)法等.圖圖-10(a)表明了兩種同位素的能級位移，實線代表一種同位素的基態(tài)、激發(fā)態(tài)和電表明了兩種同位素的能級位移，實線代表一種同位素的基態(tài)、激發(fā)態(tài)和電離態(tài)能級，虛線代表另一種同位素的對應(yīng)能級。用一束單色性極好、頻率離態(tài)能級，虛線代表另一種同位

44、素的對應(yīng)能級。用一束單色性極好、頻率為為的激光的激光,照射同位素混合氣照射同位素混合氣,由于光子的單色性，僅使由于光子的單色性，僅使的那種同位素共振躍遷到激發(fā)態(tài)，其它同位素仍處于基態(tài)。處于激的那種同位素共振躍遷到激發(fā)態(tài)，其它同位素仍處于基態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的同位素容易電離，若再以另一頻率為發(fā)態(tài)的同位素容易電離，若再以另一頻率為的激光照射，處于激發(fā)態(tài)的激光照射，處于激發(fā)態(tài)的同位素便電離成正離子，具有負(fù)高壓的收集極便可將正離子收集，以達的同位素便電離成正離子，具有負(fù)高壓的收集極便可將正離子收集，以達分離目的，這就是光電離法的原理，圖分離目的，這就是光電離法的原理，圖-10(b)示意地表明了這一過程。示

45、意地表明了這一過程。 同位素效應(yīng)與激光同位素分離同位素效應(yīng)與激光同位素分離圖表明了激光光壓法分離同位素的過程。圖光壓法圖光壓法 從原子爐中蒸發(fā)出來的從原子爐中蒸發(fā)出來的原子束，受到垂直方向射原子束，受到垂直方向射來的激光照射，使其中的來的激光照射，使其中的一種同位素處于共振激發(fā)一種同位素處于共振激發(fā)態(tài)，并受到光壓力態(tài)，并受到光壓力,從而發(fā)從而發(fā)生偏折而被分離出來。生偏折而被分離出來。激光同位素分離獲得重視，那是因為它較常規(guī)分離法有分離系數(shù)高的優(yōu)點。 第七節(jié)正、負(fù)電湮滅效應(yīng)第七節(jié)正、負(fù)電湮滅效應(yīng) 由薛定諤方程描繪的非相對論量子理論臻于完善以后，由薛定諤方程描繪的非相對論量子理論臻于完善以后，物理

46、學(xué)家們謀劃著把物理學(xué)家們謀劃著把20世紀(jì)兩個重要的理論量子論和世紀(jì)兩個重要的理論量子論和相對論統(tǒng)一起來。相對論統(tǒng)一起來。1928年著名的理論物理學(xué)家保羅年著名的理論物理學(xué)家保羅狄拉狄拉克首先提出了服從相對性原理的電子波動方程（后人稱克首先提出了服從相對性原理的電子波動方程（后人稱為狄拉克方程）。這方程成功地得出了相對論電子定有為狄拉克方程）。這方程成功地得出了相對論電子定有自旋，但奇怪的是狄拉克方程還出現(xiàn)了負(fù)能解，狄拉克自旋，但奇怪的是狄拉克方程還出現(xiàn)了負(fù)能解，狄拉克沒有把它看作沒有意義而拋棄掉。相反沒有把它看作沒有意義而拋棄掉。相反,他提出了各種假他提出了各種假設(shè)設(shè),追逐負(fù)能解的內(nèi)涵追逐負(fù)能

47、解的內(nèi)涵,最后預(yù)示自然界有正電子存在。最后預(yù)示自然界有正電子存在。1932年年8月月20日安德森從威爾遜云霧室的宇宙日安德森從威爾遜云霧室的宇宙射線徑跡照片中，發(fā)現(xiàn)了正電子的行蹤，終于證實了狄射線徑跡照片中，發(fā)現(xiàn)了正電子的行蹤，終于證實了狄拉克的預(yù)見，窺視到了第一個反粒子。正電子有與電子拉克的預(yù)見，窺視到了第一個反粒子。正電子有與電子相同的質(zhì)量和自旋，自旋也為相同的質(zhì)量和自旋，自旋也為1/2，它的電量和磁矩大小，它的電量和磁矩大小也與電子相同，只是符號相反。也與電子相同，只是符號相反。正電子不象電子那樣易于為人們觀察到，那是因為它在物質(zhì)中的正電子不象電子那樣易于為人們觀察到，那是因為它在物質(zhì)中

48、的壽命太短，真是壽命太短，真是“匆匆湮滅世間匆匆湮滅世間”，當(dāng)一個正電子和一個負(fù)電了，當(dāng)一個正電子和一個負(fù)電了相遇便會湮滅成了光子。正、負(fù)電子湮滅過程可表為相遇便會湮滅成了光子。正、負(fù)電子湮滅過程可表為 2 的整數(shù)，的整數(shù)，最常見的是湮滅成最常見的是湮滅成2個或個或3個個 光子。在自由空間正負(fù)電子絕不會光子。在自由空間正負(fù)電子絕不會湮滅成一個湮滅成一個 光子，因為這樣的話，不能使能量守恒和動量守恒光子，因為這樣的話，不能使能量守恒和動量守恒都得到滿足，只有存在能吸收反沖動量的第三者時才有可能。顯都得到滿足，只有存在能吸收反沖動量的第三者時才有可能。顯然讓正電子去撞擊大塊凝聚物能觀察到正、負(fù)電子

49、湮滅效應(yīng)。問然讓正電子去撞擊大塊凝聚物能觀察到正、負(fù)電子湮滅效應(yīng)。問題是從哪里得到正電子？題是從哪里得到正電子？做正、負(fù)電于湮滅實驗時，是用放射性同位素做正、負(fù)電于湮滅實驗時，是用放射性同位素Na、。u、等作為正電子發(fā)射源。進入凝聚物的正電子在和物質(zhì)原等作為正電子發(fā)射源。進入凝聚物的正電子在和物質(zhì)原子碰撞時，在約子碰撞時，在約Ps（皮秒）的極短時間內(nèi)首先失去它的大部分（皮秒）的極短時間內(nèi)首先失去它的大部分動能。注入的平均射程在動能。注入的平均射程在101000 m之間，變慢的正電子在物之間，變慢的正電子在物質(zhì)中漫游，最終與周圍介質(zhì)中的一個電子發(fā)生湮滅，在多數(shù)情況質(zhì)中漫游，最終與周圍介質(zhì)中的一個

50、電子發(fā)生湮滅，在多數(shù)情況下變成了兩個能量為下變成了兩個能量為511keV的的 光子。正電子在物質(zhì)中的平均壽光子。正電子在物質(zhì)中的平均壽命在命在100500 Ps間變化，平均壽命反映材料特征。對某些物質(zhì)，間變化，平均壽命反映材料特征。對某些物質(zhì)，變慢的正電子也可俘獲一個電子組成類氫變慢的正電子也可俘獲一個電子組成類氫“原子原子”，稱為電子偶，稱為電子偶素。素。圖（）表明正圖（）表明正電子在凝聚物中湮滅實驗電子在凝聚物中湮滅實驗的大致過程。實驗采用的大致過程。實驗采用N作為正電子源，在射出作為正電子源，在射出正電子的幾個皮秒內(nèi)，正電子的幾個皮秒內(nèi)，Na核還放射一個能量為核還放射一個能量為MeV的的

51、 光子，光子，它可以作為起始信號。它可以作為起始信號。圖6-12 正、負(fù)電子湮滅 進入凝聚物的正電子與電子發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)變成兩個能進入凝聚物的正電子與電子發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)變成兩個能量為量為511keV的的 光子。根據(jù)起始光子。根據(jù)起始 光子和湮滅光子和湮滅 光于之間光于之間的時間延遲，就能測量正電子在材料中的壽命。在湮滅前，的時間延遲，就能測量正電子在材料中的壽命。在湮滅前，電子一正電子對的動量，轉(zhuǎn)交給了湮滅后生成的電子一正電子對的動量，轉(zhuǎn)交給了湮滅后生成的 光子，光子，這個動量可以通過測量兩個這個動量可以通過測量兩個511keV光子的方向與共線的光子的方向與共線的小偏角小偏角 檢測出來（參看圖（檢

52、測出來（參看圖（b）。）。正、負(fù)電湮滅效應(yīng)正、負(fù)電湮滅效應(yīng)按照狄拉克對產(chǎn)生兩個按照狄拉克對產(chǎn)生兩個 光子的正、負(fù)電子湮滅過程的光子的正、負(fù)電子湮滅過程的推導(dǎo)，可以得到單位時間內(nèi)的湮滅幾率或湮滅率為：推導(dǎo)，可以得到單位時間內(nèi)的湮滅幾率或湮滅率為： 它與正電子的速度無關(guān)，式中它與正電子的速度無關(guān)，式中、C分別為經(jīng)典電子半分別為經(jīng)典電子半徑和光速，徑和光速，是正電子所在處的電子密度。湮滅率的倒是正電子所在處的電子密度。湮滅率的倒數(shù)等于正電子的平均壽命數(shù)等于正電子的平均壽命 ，通過測量正電子在材料中通過測量正電子在材料中的壽命便可檢測到材料中的電子密度的壽命便可檢測到材料中的電子密度。 在實驗室坐標(biāo)系

53、，正、負(fù)電子總動量不是零，而是如圖在實驗室坐標(biāo)系，正、負(fù)電子總動量不是零，而是如圖（b）所示的（分解為橫向分量）所示的（分解為橫向分量和縱向和縱向分量分量），因此湮滅后兩個了光子運動的方向會偏離），因此湮滅后兩個了光子運動的方向會偏離共線共線 角，因角，因 很小很小 式中是正、負(fù)電子對的動量在垂直于光子發(fā)射方向式中是正、負(fù)電子對的動量在垂直于光子發(fā)射方向上的分量上的分量正、負(fù)電湮滅效應(yīng)正、負(fù)電湮滅效應(yīng) 慢化的正電子動量近乎零，所以與偏角慢化的正電子動量近乎零，所以與偏角 關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)的是被湮滅的電子的動量，湮滅產(chǎn)生的的是被湮滅的電子的動量，湮滅產(chǎn)生的 光子光子按角度按角度 的分布反映了材料中電子動

54、量的分布，的分布反映了材料中電子動量的分布，所以所以通過測量通過測量 光子按偏角光子按偏角 的分布可以探測的分布可以探測材料中電子的動量分布材料中電子的動量分布。 正電子對固體中的點陣缺陷敏感正電子對固體中的點陣缺陷敏感，正電子會被，正電子會被缺陷吸引和俘獲，它傾向于尋找晶體中離子密缺陷吸引和俘獲，它傾向于尋找晶體中離子密度低于平均值的那些區(qū)域。度低于平均值的那些區(qū)域。用正電子湮滅方法用正電子湮滅方法研究凝聚物中缺陷濃度、組態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的興研究凝聚物中缺陷濃度、組態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的興趣正急劇增長趣正急劇增長。 現(xiàn)在，正電子譜儀已作為商品出售，人們還在現(xiàn)在，正電子譜儀已作為商品出售，人們還在努力發(fā)展

55、正電子顯微術(shù)。努力發(fā)展正電子顯微術(shù)。第八節(jié)第八節(jié) 同步輻射效應(yīng)同步輻射效應(yīng) 經(jīng)典電動力學(xué)斷言：經(jīng)典電動力學(xué)斷言：帶帶電粒子作加速運動便會電粒子作加速運動便會輻射電磁波輻射電磁波。當(dāng)電子作。當(dāng)電子作圓周運動，照理應(yīng)輻射圓周運動，照理應(yīng)輻射電磁波或光波，電磁波或光波，1947年年在同步加速器上首次觀在同步加速器上首次觀察到了這種光輻射。察到了這種光輻射。圖同步輻射圖同步輻射 如圖所示，在電子同步加速器或電子存儲環(huán)中，如圖所示，在電子同步加速器或電子存儲環(huán)中，高能電子在強大磁場偏轉(zhuǎn)力的作用下作圓周運動，發(fā)射高能電子在強大磁場偏轉(zhuǎn)力的作用下作圓周運動，發(fā)射很強的光輻射，稱為很強的光輻射，稱為同步輻射同

56、步輻射。由于電磁輻射消耗掉被。由于電磁輻射消耗掉被加速電子的能量，電子能量越高，輻射損耗越大，這就加速電子的能量，電子能量越高，輻射損耗越大，這就限制了加速器中電子能量的提高，加速粒了來說，這效限制了加速器中電子能量的提高，加速粒了來說，這效應(yīng)是不利的。應(yīng)是不利的。同步輻射的可貴特點是：同步輻射的可貴特點是：() 強度高、穩(wěn)定性好。強度高、穩(wěn)定性好。一個圓軌道上運動的電子發(fā)射光輻射，其輻射強一個圓軌道上運動的電子發(fā)射光輻射，其輻射強度依賴于電子的能量度依賴于電子的能量E和軌道半徑，輻射功率為和軌道半徑，輻射功率為 第八節(jié)第八節(jié) 同步輻射效應(yīng)同步輻射效應(yīng)1949年遜格耳（年遜格耳（Schwing

57、er）從理論上計算了同步輻射的能耗，）從理論上計算了同步輻射的能耗，能量按頻率的分布和按角度的空間分布。能量按頻率的分布和按角度的空間分布。1956年湯博林年湯博林（Tomboulian）和哈特曼）和哈特曼(Hartman)對美國康奈爾大學(xué)一臺對美國康奈爾大學(xué)一臺300MeV電子同步加速器產(chǎn)生的同步輻射作了實驗研究，測定了能譜分布和電子同步加速器產(chǎn)生的同步輻射作了實驗研究，測定了能譜分布和強度的角分布，發(fā)現(xiàn)同步輻射具有高強度、光譜范圍寬、光強度角強度的角分布，發(fā)現(xiàn)同步輻射具有高強度、光譜范圍寬、光強度角分布窄，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，這一探索為同步輻射的應(yīng)用打開了廣闊分布窄，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，這一探索為

58、同步輻射的應(yīng)用打開了廣闊的前景的前景 P2e2C（E）43R2m0C2它的輻射強度與激光相當(dāng)。式中它的輻射強度與激光相當(dāng)。式中C為光速，為光速，為電子靜止質(zhì)量，由于電子為電子靜止質(zhì)量，由于電子存儲環(huán)中電了的能量可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，所以同步輻射的穩(wěn)定性好。在同步加速器存儲環(huán)中電了的能量可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，所以同步輻射的穩(wěn)定性好。在同步加速器中，電子的加速是在加速區(qū)實現(xiàn)的，電子是一股一股冊地間歇式地注入軌道，中，電子的加速是在加速區(qū)實現(xiàn)的，電子是一股一股冊地間歇式地注入軌道，軌道被成股的電子充滿，所以觀察者觀察到一系列強而窄的光脈沖。軌道被成股的電子充滿，所以觀察者觀察到一系列強而窄的光脈沖。（）角分布窄。以接近

59、光速做圓運動的電子，其光輻射（）角分布窄。以接近光速做圓運動的電子，其光輻射幾乎集中在以電子行進方向（軌道切線方向）為中心的細幾乎集中在以電子行進方向（軌道切線方向）為中心的細長光錘內(nèi)，圖中所示輻射的半角寬度：長光錘內(nèi)，圖中所示輻射的半角寬度： ， E500MeV時，時， 1弧度弧度.（）譜范圍特別寬。可發(fā)生從紅外直至硬射線的強光。（）譜范圍特別寬?？砂l(fā)生從紅外直至硬射線的強光。在軌道平面發(fā)射的還是很純的線偏振光。在軌道平面發(fā)射的還是很純的線偏振光。 統(tǒng)而觀之，同步輻射是頻譜寬、強度大、穩(wěn)定性好的統(tǒng)而觀之，同步輻射是頻譜寬、強度大、穩(wěn)定性好的脈沖式偏振光源。鑒于這些優(yōu)點，它是進行光譜實驗的理脈

60、沖式偏振光源。鑒于這些優(yōu)點，它是進行光譜實驗的理想光源。利用它，可以在很寬頻域內(nèi)得到材料的吸收光譜想光源。利用它，可以在很寬頻域內(nèi)得到材料的吸收光譜a（ ）和反射光譜）和反射光譜R（ ），它們?yōu)楹瞬椴牧系哪軒ЫY(jié)構(gòu)、），它們?yōu)楹瞬椴牧系哪軒ЫY(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度，為了解能量轉(zhuǎn)移等過程提供有用的信息。電子態(tài)密度，為了解能量轉(zhuǎn)移等過程提供有用的信息。利用這種光源獲取固體能譜、進行表面勢壘、表面性質(zhì)，利用這種光源獲取固體能譜、進行表面勢壘、表面性質(zhì)，電了能態(tài)密度的研究。同步輻射產(chǎn)生的射線可用于晶體電了能態(tài)密度的研究。同步輻射產(chǎn)生的射線可用于晶體結(jié)構(gòu)分析，觀察晶體缺陷和形貌，由于輻射產(chǎn)生的射線結(jié)構(gòu)分析，觀察晶