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1、大学物理专题讲座大学物理专题讲座主讲人主讲人 冯杰冯杰第九讲第九讲 光学理论体系光学理论体系与光的波动性和粒子性的讨论与光的波动性和粒子性的讨论1/12/20231第九讲第九讲 光学的理论体系与光学的理论体系与光的波动性和粒子性的的讨论光的波动性和粒子性的的讨论一、光学的理论体系和研究内容一、光学的理论体系和研究内容1、几何光学、几何光学 线线 直线传播、反射、折射、成像直线传播、反射、折射、成像 应用光学应用光学 2、波动光学、波动光学 波波 干涉、衍射、偏振、光速干涉、衍射、偏振、光速介质波介质波 3、量子光学、量子光学 粒子粒子 黑体辐射、光电效应、康普顿效应黑体辐射、光电效应、康普顿效
2、应 光子、德布罗意波光子、德布罗意波概率波概率波 波粒二象性波粒二象性4、现代光学、现代光学 光子学光子学 激光、光纤通信、非线性光学激光、光纤通信、非线性光学 集成光学、信息光学、集成光学、信息光学、超快速光学超快速光学1/12/20232二、普通物理光学的内容二、普通物理光学的内容 绪论绪论 光学发展简史光学发展简史 第第1章章 光的干涉光的干涉 第第2章章 光的衍射光的衍射 第第3章章 光的偏振光的偏振 第第4章章 几何光学的基本原理几何光学的基本原理 第第5章章 光学仪器的基本原理光学仪器的基本原理 第第6章章 光的吸收、散射和色散光的吸收、散射和色散 第第7章章 光的量子性光的量子性
3、 第第8章章 现代光学基础现代光学基础1/12/20233一、四大类波的叠加一、四大类波的叠加1、同频率、振动方向相同简谐波的叠加同频率、振动方向相同简谐波的叠加 干涉、衍射干涉、衍射驻波驻波2、不同频率、振动方向相同简谐波的叠加不同频率、振动方向相同简谐波的叠加 拍、波包、脉冲、光调制拍、波包、脉冲、光调制交流与讨论：交流与讨论：驻波是如何形成的？驻波是如何形成的？交流与讨论：交流与讨论：什么是拍？拍是如何形成的？什么是拍？拍是如何形成的？第一部分：光的波动性第一部分：光的波动性干涉与衍射的讨论干涉与衍射的讨论1/12/202343、同频率、不同振动方向简谐波、而且同频率、不同振动方向简谐波
4、、而且 有一定的相位差对于分量的叠加有一定的相位差对于分量的叠加 椭圆偏振光、圆偏振光或线偏振光椭圆偏振光、圆偏振光或线偏振光交流与讨论：交流与讨论：什么是线偏振光？什么是线偏振光？圆偏振光如何形成的？圆偏振光如何形成的？4、不同频率、不同振动方向简谐波、而且、不同频率、不同振动方向简谐波、而且 有一定的相位差有一定的相位差(频率成比例频率成比例)对于分量的叠加对于分量的叠加 李萨如图形李萨如图形交流与讨论：交流与讨论：李萨如图形是什么样的？李萨如图形是什么样的？物理学上，物理学上，“混沌混沌”的含义是什么的含义是什么？1/12/202351、驻、驻 波波 的的 形形 成成讨论举例讨论举例1/
5、12/20236 驻波方程驻波方程 振幅振幅 随随 x 而异而异,与时间无关与时间无关!1/12/202372、两个同方向不同频率简谐运动、两个同方向不同频率简谐运动 的合成的合成1/12/20238合振动频率合振动频率振幅部分振幅部分振幅振幅 振动频率振动频率1/12/20239拍（拍频）拍（拍频）1/12/202310 脉动、脉冲、波包、拍脉动、脉冲、波包、拍 物理规律类似物理规律类似 两个同方向不同频率简谐振动传播的合成两个同方向不同频率简谐振动传播的合成1/12/2023113、垂直振动的合成、垂直振动的合成电矢量的分解电矢量的分解 (1)=0=0或或=的情形的情形 由此得由此得而且而
6、且垂直振动的合成之一垂直振动的合成之一1/12/202312(2)=+/2 的情形的情形 垂直振动的合成之二垂直振动的合成之二 消去消去 t，得，得得正椭圆轨迹得正椭圆轨迹 右旋右旋 =/2 的情形的情形 得正椭圆轨迹得正椭圆轨迹 左旋左旋 1/12/202313=+/2 的情形的情形=/2 的情形的情形(3)当振幅相等时当振幅相等时 得圆轨迹得圆轨迹 垂直振动的合成之三垂直振动的合成之三得顺时针得顺时针(右旋右旋)圆轨迹圆轨迹 得逆时针得逆时针(左旋左旋)圆轨迹圆轨迹 1/12/202314(4)普遍情形，即普遍情形，即为任意角度为任意角度时，而且时，而且 垂直振动的合成之四垂直振动的合成之
7、四消去消去 t 得得1/12/202315(5)两个垂直分量有不同相位差两个垂直分量有不同相位差时时 两垂直振动的相位差与其合成的偏振态的关系两垂直振动的相位差与其合成的偏振态的关系 1/12/202316椭圆偏振光：椭圆偏振光：的端点的端点轨轨迹迹为为椭圆椭圆形螺旋形螺旋线线；椭圆偏振光的时空关系椭圆偏振光的时空关系1/12/202317二、惠更斯二、惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理（一）（一）次波次波 +次波相干叠加次波相干叠加 偏离原来的传播方向偏离原来的传播方向意义及问题意义及问题(1)用波动的观点解释了光的衍射现象用波动的观点解释了光的衍射现象(2)解决了衍射光强分布的定量计算问题解决了衍
8、射光强分布的定量计算问题(3)复杂衍射物的数学计算非常困难复杂衍射物的数学计算非常困难形成不同方向的强度分布形成不同方向的强度分布衍衍 射射 花花 样样平行光平行光衍射光衍射光1/12/202318交流与讨论：交流与讨论：为什么为什么惠更斯次波惠更斯次波是相干的？是相干的？交流与讨论：交流与讨论：什么是什么是相干叠加相干叠加与与不相干叠加不相干叠加？交流与讨论：交流与讨论：为什么机械波（声波等）都很容易为什么机械波（声波等）都很容易 实现干涉，而光的干涉不那么容易实现干涉，而光的干涉不那么容易 实现？实现？1/12/202319（二）惠更斯原理（二）惠更斯原理1、惠更斯原理的文字表述惠更斯原理
9、的文字表述波阵面波阵面最前面的波面最前面的波面波前波前障碍物的小孔成为新波源障碍物的小孔成为新波源介质中任一波阵面上的各点，都介质中任一波阵面上的各点，都 可看作是发射子波的波源，其后可看作是发射子波的波源，其后 任一时刻，这些子波的包迹就是任一时刻，这些子波的包迹就是 新的波阵面。新的波阵面。1690！2、惠更斯原理的意义惠更斯原理的意义只要知道中某一时刻波阵面就可只要知道中某一时刻波阵面就可 以用几何作图法确定下一时刻的以用几何作图法确定下一时刻的 波阵面波阵面 1690！1/12/2023203、用、用惠更斯惠更斯作图法求新的波阵面作图法求新的波阵面 平面波平面波球面波球面波某一时刻波阵
10、面上某一时刻波阵面上 的任意一点都是一的任意一点都是一 个点波源；个点波源；该点波源发出球该点波源发出球 面波面波 子波子波 （次波）；（次波）；所有子波的包络所有子波的包络 面构成新的波阵面构成新的波阵 面就是新的时刻面就是新的时刻 波阵面。波阵面。1/12/2023214、波的衍射波的衍射 波的衍射波的衍射 波的衍射波的衍射 波在传播过波在传播过 程中，如果遇到障碍物，程中，如果遇到障碍物，其传播方向发生了改变其传播方向发生了改变 绕过障碍物的边缘继绕过障碍物的边缘继 续前进的现象续前进的现象又叫波又叫波 的衍射（又称为绕射）的衍射（又称为绕射）;5、惠更斯原理的不足、惠更斯原理的不足 不
11、能解释子波（衍射波）不能解释子波（衍射波）的强度分布的强度分布;周期性的概念不明显周期性的概念不明显;不能进行定量求解不能进行定量求解;1/12/202322三、相干叠加的三个必要条件三、相干叠加的三个必要条件1、光源光源S1和和S2某时刻的振动某时刻的振动假设任意时刻假设任意时刻 设设 /注意：注意：空间某点空间某点P 的合振动的合振动2、光传播到空间某点光传播到空间某点P 的振动的振动1/12/202323 空间某点空间某点P 的合振幅典型情况的合振幅典型情况1/12/2023243、空间某点空间某点P 任意时刻任意时刻合振幅合振幅 设设 /注意：注意：空间某点空间某点P 的合振动的合振动
12、4、空间某点、空间某点P 任意时刻任意时刻光强度光强度1/12/202325注意：这是矢量的点乘！注意：这是矢量的点乘！实际上：实际上：1/12/202326眼睛或仪器观测眼睛或仪器观测P点的结果是点的结果是关键是考察关键是考察P点的点的相位差相位差 是否与时间有关是否与时间有关1/12/202327(1)效果效果1：如果如果 与与时间时间无关无关，即，即=；相消，当相消，当；相长，当相长，当 相干叠加：相干叠加：视场有明、暗相间的光强分布！视场有明、暗相间的光强分布！则则P 点光强为点光强为1/12/202328(2)效果效果2：若若 与与时间时间有关有关，则则：结果形成不相干结果形成不相干
13、叠加叠加!一定有：一定有：则，则，视场一片明亮视场一片明亮1/12/2023295、相干叠加的必要条件、相干叠加的必要条件 振动方向平行；振动方向平行；频率相同！频率相同！不随时间变化不随时间变化 相位差恒定；相位差恒定；交流与讨论：交流与讨论：如果人眼睛具有光频率的分辨本领，如果人眼睛具有光频率的分辨本领，我们的眼前是什么景象？我们的眼前是什么景象？1/12/202330四、时间相干性四、时间相干性光源的单色性问题光源的单色性问题1、干涉条纹的可见度、干涉条纹的可见度V 定义式：定义式：其中其中 干涉条纹的可见度与相位差的关系干涉条纹的可见度与相位差的关系 1/12/2023312、光源的非
14、单色性对、光源的非单色性对V的影响的影响时间相干性时间相干性：*假设只含有两个波长假设只含有两个波长V=1 V=1 V0 只含有只含有两个波长两个波长非单色光源干涉强度分布非单色光源干涉强度分布周期性变化周期性变化 1/12/202332当当相邻波长相邻波长亮纹亮纹之间的间距正好错开半个条纹之间的间距正好错开半个条纹的的间隔，间隔，V=0=0。错开一个条纹的错开一个条纹的间隔，又间隔，又V=1=1 与与+第第k级条纹之间的距离是级条纹之间的距离是 第第k级条纹间隔（宽度）是级条纹间隔（宽度）是 杨氏双缝实验杨氏双缝实验 实验验证实验验证钠钠(Na)黄光的等倾干涉实验黄光的等倾干涉实验 589.
15、0nm和和 589.6nm1/12/2023333、光源的非单色性对、光源的非单色性对V的影响的影响 *假设有无数个波长假设有无数个波长55V=1 V=0=0=0含有含有无数波长无数波长的的非单色光源干涉条纹非单色光源干涉条纹 1/12/2023346 67 72345非单色光干涉条纹之特点非单色光干涉条纹之特点:能够分辨级次有限能够分辨级次有限,逐渐模糊逐渐模糊。绿线：绿线：波长重叠；波长重叠；红条纹：红条纹：级次重叠；级次重叠；光源的非单色性对条纹视见度的影响光源的非单色性对条纹视见度的影响 蓝红之间被各色光的干涉条纹填满了蓝红之间被各色光的干涉条纹填满了 ！V=0=0=01/12/202
16、335 与与+波长波长亮纹亮纹之间的距离正好等于一个条纹的之间的距离正好等于一个条纹的间隔时，间隔时，V=0=0当当 时，视见度时，视见度V=0 杨氏双缝实验杨氏双缝实验 实验验证实验验证白光等倾干涉实验白光等倾干涉实验 与与+第第k级条纹之间的距离是级条纹之间的距离是 第第k级条纹间隔（宽度）是级条纹间隔（宽度）是 1/12/202336复色光源的干涉条纹中间零级是白光，其它各级是彩色的，复色光源的干涉条纹中间零级是白光，其它各级是彩色的，而且，随着级次的增加，而且，随着级次的增加，条纹逐渐模糊条纹逐渐模糊可见度降低可见度降低0 实验验证实验验证白光等倾干涉实验白光等倾干涉实验：1/12/2
17、02337当当 ，求得，求得代入代入 我们用我们用相干长度相干长度和和相干时间相干时间来描述光源的来描述光源的时间相干性时间相干性 求得求得 的物理意义是什么？的物理意义是什么？讨论与交流：讨论与交流：由由得得 相干长度相干长度相干时间相干时间4、时间相干性的定义、时间相干性的定义1/12/202338原子发出有限长的光波列原子发出有限长的光波列光源的单色性光源的单色性 5、原子发光有限的波列长度与光源的单色性、原子发光有限的波列长度与光源的单色性1/12/202339五、空间相干性五、空间相干性光源的几何线度问题光源的几何线度问题1、什么是空间相干性什么是空间相干性 空间相干性就是对一般的普
18、通光源（所谓的非相干光源），通过对干涉空间相干性就是对一般的普通光源（所谓的非相干光源），通过对干涉装置的空间几何参数控制，使其能够实现干涉的最小几何线度装置的空间几何参数控制，使其能够实现干涉的最小几何线度空间相干性的示意图空间相干性的示意图1/12/202340由于光源线度扩展为由于光源线度扩展为b，其上，其上M点发出的光到点发出的光到 达屏上达屏上P 点的光程差为点的光程差为当当l d，且且l b时，有时，有 2、光源线度光源线度 b 对干涉条纹影响的分析对干涉条纹影响的分析光源线度光源线度 b 对干涉条纹影响对干涉条纹影响1/12/202341零级亮条纹零级亮条纹 k 级亮条纹级亮条纹
19、(1)M点发出的光产生各级亮条纹的位置点发出的光产生各级亮条纹的位置光源线度光源线度 b 对干涉条纹影响对干涉条纹影响1/12/202342零级亮条纹零级亮条纹 k 级亮条纹级亮条纹零级亮纹由于源点零级亮纹由于源点M和和N的影响的影响 而上下移至而上下移至X和和X处，即由处，即由O点向点向 两边各扩展了而使错开的间隔为两边各扩展了而使错开的间隔为条纹的视见度条纹的视见度V为零为零(2)N点发出的光产生各级亮条纹的位置点发出的光产生各级亮条纹的位置1/12/202343各级亮纹原来的间距（宽度）为各级亮纹原来的间距（宽度）为当零级展宽当零级展宽 ，当零级展宽当零级展宽 ，条纹的视见度条纹的视见度
20、V为零为零条纹的视见度条纹的视见度V V为零为零(2)N点发出的光产生各级亮条纹的位置点发出的光产生各级亮条纹的位置即即 时，和时，和 即即 时，时，1/12/2023441/12/202345当零级展宽当零级展宽 ，即，即 时，时，条纹的视见度比较好，条纹的视见度比较好，0 0V1一般要求满足一般要求满足1/12/202346六、全息照相六、全息照相（一）概述（一）概述1、普通照相普通照相4、全息照片、全息照片2、全息照相全息照相相干光源相干光源干涉，相位转化为光强分布，全息片干涉，相位转化为光强分布，全息片(相位、强度相位、强度)；人眼睛观察人眼睛观察：灰雾状负片；：灰雾状负片；高倍显微镜
21、高倍显微镜：高密度条纹的干涉（衍射）花样；：高密度条纹的干涉（衍射）花样；相干光照射相干光照射：呈现立体的实像、立体的虚像和立体的赝像：呈现立体的实像、立体的虚像和立体的赝像。普通光源普通光源反射、折射，记录光强，平面像（振幅，无相位信息）反射、折射，记录光强，平面像（振幅，无相位信息）;3、全息照相的条件、全息照相的条件相干光源；防振；高分辩率记录材料；相干光源；防振；高分辩率记录材料；1/12/202347（二）全息照相的基本原理（二）全息照相的基本原理1、波前记录波前记录 全息照片的摄制全息照片的摄制 被摄物反射的物光波前被摄物反射的物光波前 物光相位物光相位全息照片的摄制全息照片的摄制
22、物光振幅物光振幅 物光波物光波O 参考光波参考光波R 1/12/202348 被反射镜反射的参考光波前被反射镜反射的参考光波前被反射镜反射的参考光与物光的相位差被反射镜反射的参考光与物光的相位差感光片的摄制感光片的摄制物光波物光波O 参考光波参考光波R 全息照片的摄制全息照片的摄制1/12/202349全息底片的感光材料的特性全息底片的感光材料的特性 干涉项：干涉项：物光之振幅物光之振幅 O(x,y)和相位和相位 (x,y)被参考光被参考光R(x,y)调调制制物光物光O 与参考光与参考光R 相干叠加之光强相干叠加之光强1/12/202350全息照片全息照片(图图)的制作流程的制作流程 曝光、显
23、影、定影；曝光、显影、定影；2、全息底片感光材料全息底片感光材料（三）全息照片的摄制与再现（三）全息照片的摄制与再现布置好物光和参考光；布置好物光和参考光；摄制曝光、显影、定影；摄制曝光、显影、定影；方法与普通摄影无异方法与普通摄影无异 1、摄制：、摄制：3、再现再现：用拍摄时所用参考光照射全息照片用拍摄时所用参考光照射全息照片(图图)再现原理：全息照片再现原理：全息照片(图图)的衍射的衍射 再现全息照片再现全息照片(图图)的衍射花样的衍射花样 光强和相位的分布光强和相位的分布T(x,y)再现方法：相干光照射全息照片再现方法：相干光照射全息照片(图图)1/12/2023513、再现再现：用拍摄
24、时所用参考光照射全息照片用拍摄时所用参考光照射全息照片(图图)再现原理：全息照片再现原理：全息照片(图图)的衍射的衍射 再现全息照片再现全息照片(图图)的衍射花样的衍射花样 光强和相位的分布光强和相位的分布T(x,y)T 1 零级零级 T 2 虚像虚像T 3(A,)的信息的信息 实（赝）像实（赝）像T 4 与入射光性质相同与入射光性质相同 立体图立体图 凸凹与实像相反凸凹与实像相反赝像赝像立体像立体像 再现方法：相干光照射全息照片再现方法：相干光照射全息照片(图图)1/12/2023521、与原物有相同的立体效果、与原物有相同的立体效果2、全息照片的每一部分都可以再现原物的立体像、全息照片的每
25、一部分都可以再现原物的立体像3、同一底片可以多次曝光，拍摄多个物体的全息图同一底片可以多次曝光，拍摄多个物体的全息图 将每次参考光的入射方向稍作改变。将每次参考光的入射方向稍作改变。4、用接触法复制、用接触法复制全息照片，工艺简便全息照片，工艺简便（五）全息照相的一些应用（五）全息照相的一些应用1、全息干涉测量、全息干涉测量2、全息显微术、全息显微术3、全息技术在海洋学中的应用全息技术在海洋学中的应用4、全息照片制作光学元件全息照片制作光学元件（四）全息照相的特点（四）全息照相的特点交流与讨论：交流与讨论：全息照片与普通底片的区别是什么？全息照片与普通底片的区别是什么？END9-11/12/2
26、02353第二部分：光的粒子第二部分：光的粒子三个典型实验三个典型实验实验一、实验一、热辐射热辐射一、热辐射、基尔霍夫理论一、热辐射、基尔霍夫理论1、热辐射的含义热辐射的含义 辐射能辐射能 W(,T)来源来源：辐射体自身的内能转化或吸收外界能量辐射体自身的内能转化或吸收外界能量机制机制：带电粒子（偶极子）热加速（振动）带电粒子（偶极子）热加速（振动）单色辐出度单色辐出度 吸收系数吸收系数 总辐出度总辐出度dW：单位面积吸收的总辐射能单位面积吸收的总辐射能dW：照射到单位面积的总辐射能照射到单位面积的总辐射能1/12/2023542、基尔霍夫理论基尔霍夫理论 文字表述：文字表述：物体的物体的单色
27、辐出度单色辐出度M(,T)和和吸收系数吸收系数A(,T)之之比，与物体的性质无关，而只是辐射比，与物体的性质无关，而只是辐射频率频率 和和温度温度 T 的普适函数的普适函数。数学表式数学表式 推论推论 一个好的吸收体一定是一个好的辐射体一个好的吸收体一定是一个好的辐射体。实验：实验：同一温度（热平衡）下的不同物体，有同一温度（热平衡）下的不同物体，有1/12/2023553、绝对黑体绝对黑体：理想模型，其理想模型，其 A(,T)=1，用空腔的小孔模拟用空腔的小孔模拟。4、绝对黑体单色辐出度绝对黑体单色辐出度 恰等于恰等于普适函数普适函数。讨论与交流讨论与交流：为什么用黑体模型来研究热辐射为什么
28、用黑体模型来研究热辐射？即即:绝对黑体模型绝对黑体模型1/12/2023565、黑体辐射的单色辐出度实验、黑体辐射的单色辐出度实验 近代物理学的诞生的序幕近代物理学的诞生的序幕 原理原理 实验装置实验装置黑体辐射的单色辐出度实验黑体辐射的单色辐出度实验12345 /nm/nm100300500700900M(,T)T1T2T3 实验方法实验方法1/12/202357 实验曲线的特点实验曲线的特点()()在每一温度在每一温度T 下，下，M(,T)都有一个最大值都有一个最大值,即即 M(max,T)max()()温度温度T 升高，升高，max 向短波移动向短波移动黑体辐射的实验曲线黑体辐射的实验曲
29、线经典理论的困惑经典理论的困惑 黑体辐射的实验曲线黑体辐射的实验曲线 当时的理论无法解当时的理论无法解 释实验曲线的特点；释实验曲线的特点；无法找到实验曲线无法找到实验曲线 的函数关系式的函数关系式.1/12/202358 文字表述文字表述 数学表式数学表式6、斯忒藩斯忒藩 玻耳兹定律玻耳兹定律黑体的黑体的总辐出度总辐出度M(,T)与绝对温度与绝对温度T 的四次方成之比的四次方成之比。黑体辐射的实验曲线黑体辐射的实验曲线经典理论的困惑经典理论的困惑问题出在哪里？问题出在哪里？光不仅仅是波动光不仅仅是波动 光不是弹性介质波光不是弹性介质波 光（电磁波）是什么光（电磁波）是什么1/12/20235
30、9二、热辐射的经典定律及其困难二、热辐射的经典定律及其困难1、维恩位移定律维恩位移定律 短波方向与实验相符合短波方向与实验相符合2、瑞利瑞利金斯公式金斯公式 长波方向与实验相符合长波方向与实验相符合 文字表述文字表述 数学表式数学表式当绝对温度当绝对温度T 升高时，升高时，max 向短波方向移动向短波方向移动b 与温度无关与温度无关 困难困难长波方向与实验不符合长波方向与实验不符合。数学表式数学表式 困难困难紫外灾难紫外灾难短波方向与实验不符合短波方向与实验不符合故称故称“紫外灾难紫外灾难”或或“”发散困难发散困难 文字表述文字表述1/12/202360热辐射的紫外灾难热辐射的紫外灾难1/12
31、/202361三、普朗克辐射公式三、普朗克辐射公式（一）普朗克假定（一）普朗克假定假定假定：辐射物体中带电的线性谐振子（黑体空腔的谐振模辐射物体中带电的线性谐振子（黑体空腔的谐振模 式）与经典振子不同，它的能量不能连续变化，只式）与经典振子不同，它的能量不能连续变化，只 能于某些特定的能于某些特定的分立状态分立状态。1、热辐射、热辐射谐振模式的能态：谐振模式的能态：特定、分立、不连续特定、分立、不连续 0，E0，2 E0，3 E0，n E0.2、能量子、能量子 E0=h，h 为普朗克常数，为普朗克常数，为辐射频率为辐射频率。3、辐射或吸收时，辐射或吸收时，谐振子的能态变化谐振子的能态变化 跃迁
32、：跃迁：4、某一某一谐振子在谐振子在温度温度T ，处于能态处于能态 En=n E0的几率之比于的几率之比于1/12/2023625、每个每个谐振子的平均能量谐振子的平均能量En为为1/12/202363E0=h（二）普朗克公式（二）普朗克公式1/12/2023641、公式与实验结果完全相符合、公式与实验结果完全相符合2、短波辐射：、短波辐射：h k T 维恩公式维恩公式3、长波辐射：、长波辐射：h k T 瑞利瑞利金斯公式金斯公式小圆圈小圆圈为实验点为实验点普朗克公式、实验曲线及经普朗克公式、实验曲线及经典理论曲线的比较的比较典理论曲线的比较的比较普朗克为此获得普朗克为此获得1918年诺贝尔物
33、理学奖！年诺贝尔物理学奖！1/12/202365实验二、实验二、光电效应光电效应1、光电效应现象、光电效应现象入射光、光电流、光电子；赫兹：入射光、光电流、光电子；赫兹：1887年年2、实验装置、实验装置光电效应的实验装置光电效应的实验装置 3、实验规律、实验规律 饱和电流；饱和电流；光电子响应光电子响应。截止频率；截止频率；遏止电压遏止电压；如图所示。如图所示。1/12/2023663、实验规律、实验规律 饱和电流饱和电流 im(n e)正比于光强正比于光强 I 光电子的响应光电子的响应时间为时间为 秒秒。饱和电流与遏止电压的关系饱和电流与遏止电压的关系 入射光频率入射光频率 0（截止频率截
34、止频率）时，时，无论入射光强无论入射光强I 多大，多大，光电流为零，即光电流为零，即 i=0 遏止电压遏止电压Vg(eVg=)与光强与光强 I 无关无关。1/12/2023674、爱因斯坦方程、爱因斯坦方程 光子光子 光电子光电子 逸出功逸出功 遏止电压遏止电压 （材料）（材料）爱因斯坦光量子爱因斯坦光量子光子光子爱因斯坦光电方程：爱因斯坦光电方程：爱因斯坦光电子的动能爱因斯坦光电子的动能：1/12/2023685、对光电效应的量子解释、对光电效应的量子解释 饱和电流饱和电流 im(n e)正比于光强正比于光强 I 因为因为I 正比于入射光子数；正比于入射光子数；遏止电压遏止电压Vg(eVg=
35、)与光强与光强 I 无关无关 遏止电压遏止电压Vg 取决于取决于入射光频率入射光频率；入射光频率入射光频率 0（截止频率）（截止频率）时，时，无论入射光强无论入射光强 I 多大，光多大，光 电流为零，电流为零，即即 i=0 必须有必须有 光电子的响应时间为光电子的响应时间为 秒秒 光电子一次性吸收整个光子光电子一次性吸收整个光子。爱因斯坦为此获得爱因斯坦为此获得1921年诺贝尔物理学奖！年诺贝尔物理学奖！1/12/202369实验三实验三 康普顿效应康普顿效应1、康普顿康普顿效应现象效应现象入射光的能量较大；入射光的能量较大；只能假定光子与电子发生了非完只能假定光子与电子发生了非完全弹性碰撞，
36、方可解释实验结果全弹性碰撞，方可解释实验结果!光子与电子弹性碰撞；光子与电子弹性碰撞；康普顿：康普顿：1922年，据说康普顿年，据说康普顿 只是仅仅提出只是仅仅提出“光子与电子弹光子与电子弹 性碰撞性碰撞”的设想，实验主要是的设想，实验主要是 由他的中国籍学生做的，由他的中国籍学生做的，光子与电子弹性碰撞光子与电子弹性碰撞 1/12/2023702、实验装置、实验装置康普顿效应的实验装置康普顿效应的实验装置1/12/2023713、实验规律、实验规律电子作受迫振动，电子作受迫振动，散射光波长应该与散射光波长应该与入射光波长相等入射光波长相等。实验规律结果表明：实验规律结果表明：散射光波长的改变
37、量散射光波长的改变量同种散射物质同种散射物质不同散射角不同散射角不同种散射物不同种散射物质质相同散射角相同散射角4、经典理论解释的困难、经典理论解释的困难 与入射光波长与入射光波长 0 无关无关 与散射物质无关与散射物质无关；与与1-cos 成正比成正比1/12/202372 将入射将入射光波光波看成看成光子流光子流光子与电子发生光子与电子发生 完全弹性碰撞完全弹性碰撞动量守恒！动量守恒！能量守恒！能量守恒！康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释5、将入射光波作为弹性光子处理、将入射光波作为弹性光子处理1/12/202373 将入射光波看成光子流将入射光波看成光子流 散射光波长的改变量散射光
38、波长的改变量6、康普顿效应的理论解释、康普顿效应的理论解释动量动量守恒守恒能量能量守恒守恒结果结果 1/12/202374解解动量守恒和能量守恒的两个方程得动量守恒和能量守恒的两个方程得：散射光波长的改变量散射光波长的改变量 与入射光波长与入射光波长 0 无关；无关；与散射物质与散射物质 无关无关；与与1-cos 成正比！成正比！康普顿为此获得康普顿为此获得1927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖!1/12/202375四、德布罗意波四、德布罗意波1、类比法得出物质波假说、类比法得出物质波假说 德布罗意波德布罗意波实物实物 粒子粒子光子光子德布罗德布罗意波（物意波（物质波）质波）光波（概率波）
39、光波（概率波）经典经典 光波光波 (波动波动)经典经典 粒子粒子经典粒子经典粒子介质波介质波1/12/2023762、实验验证、实验验证 德布罗意波波长理论值德布罗意波波长理论值 戴维逊戴维逊 革末实验：革末实验：单晶体面心立方结构（三维光栅）衍射单晶体面心立方结构（三维光栅）衍射 汤姆逊实验：汤姆逊实验：高速电子通过薄金属箔片的衍射高速电子通过薄金属箔片的衍射德布罗意为此获得德布罗意为此获得1929年诺贝尔物理学奖！年诺贝尔物理学奖！1/12/202377五、波粒二象性五、波粒二象性2、波粒二象性的玻恩解释、波粒二象性的玻恩解释 概率波概率波1、波粒二象性、波粒二象性 现代物理学的基石之一现
40、代物理学的基石之一3、实物与场是物质的基本形态，、实物与场是物质的基本形态，波粒二象性是物质基本属性波粒二象性是物质基本属性空间某点附近出现光空间某点附近出现光子（电子）数目的疏子（电子）数目的疏密（空间分布）、频密（空间分布）、频寂（时间分布）寂（时间分布）玻恩玻恩(概率波解释概率波解释)为此获得为此获得1954年诺贝尔物理学奖！年诺贝尔物理学奖！1/12/2023784、薛定谔方程薛定谔方程概率波的波动方程概率波的波动方程将该波函数对时间求导，得将该波函数对时间求导，得将波函数求空间将波函数求空间x的偏导数，得的偏导数，得自由粒子的波函数自由粒子的波函数平面波平面波同理可得同理可得自由粒子
41、的能量和动量的关系自由粒子的能量和动量的关系三式相加得三式相加得1/12/202379算符算符设力场的势能函数为，设力场的势能函数为，则则薛定谔方程薛定谔方程改写（改写（1）（）（2）式）式 近代物理学的典型近代物理学的典型方程；波恩解释方程；波恩解释概率波概率波薛定谔与狄拉克于共同获得薛定谔与狄拉克于共同获得1933年的诺贝尔物理学奖！年的诺贝尔物理学奖！1/12/202380n1、资料详实，论证充分；、资料详实，论证充分；杜绝抄袭杜绝抄袭；n2、准确、科学，具有启发性，、准确、科学，具有启发性，能够投稿能够投稿；n3、不能写成物理教学研究论文；、不能写成物理教学研究论文；n4、不少于、不少
42、于2500字；字；图文并茂图文并茂，图要清楚；，图要清楚；n5、公式用、公式用3.0公式编辑器书写公式编辑器书写,不要用扫描或图形不要用扫描或图形；n6、按学术论文格式按学术论文格式(要求翻译摘要和关键词要求翻译摘要和关键词)；n7、完成时间、完成时间2014/1/1前前；n8、交电子稿：、交电子稿：Word文档，文档，5号宋体，单倍行距号宋体，单倍行距；n9、发送地址：、发送地址：n10、邮件文件名请写、邮件文件名请写清楚姓名清楚姓名和学号等主题。和学号等主题。大学物理专题论文作业要求大学物理专题论文作业要求1/12/202381问题与讨论问题与讨论参考书目参考书目1、高文琪，光学，南京大学
43、出版社、高文琪，光学，南京大学出版社2、易明，光学，高等教育出版社、易明，光学，高等教育出版社3、王楚等，光学，高等教育出版社、王楚等，光学，高等教育出版社4、姚启均，光学教程，高等教育出版社、姚启均，光学教程，高等教育出版社5、章志鸣，光学，高等教育出版社、章志鸣，光学，高等教育出版社6、赵凯华，光学，高等教育出版社、赵凯华，光学，高等教育出版社7、李良德，光学，中山大学出版社、李良德，光学，中山大学出版社1、光源光源S 到到S 1 1和和S 2 2距离距离l 1 1及及S 1 1和和S 2 2到观察屏到观察屏P 的距离的距离l2对光对光 源的空间相干性产生什么样的影响？源的空间相干性产生什么样的影响？2、光源发光的波列长度对时间相干度的影响。、光源发光的波列长度对时间相干度的影响。3、为什么全息照片与原物有相同的立体效果？、为什么全息照片与原物有相同的立体效果？4、为什么用黑体辐射研究热辐射？、为什么用黑体辐射研究热辐射？5、为什么说近代物理学起源于光学？、为什么说近代物理学起源于光学？6、为什么康普顿效应必须应用动量守恒定律？、为什么康普顿效应必须应用动量守恒定律？END9-21/12/202382