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1、光学与原子物理 第1页，本讲稿共18页助教黄少茹老师徐滕老师光学第零章 绪论第一章 几何光学第二章 光的波动模型第三章 光的干涉第四章 光的衍射第五章 光的电磁性第2页，本讲稿共18页第零章 绪论 学习光学的重要性；光学讲什么？光是什么？第3页，本讲稿共18页学习光学的重要性 光(阳光)是生命的源泉。光是人类认识世界的主要桥梁。人类感官得到的外界信息中，至少90%通过眼睛。光现象是物理理论的主要发源地。光学应用科学迅猛发展。现代光学是科学前沿的重要领域。第4页，本讲稿共18页光学的内容与分类 什么是光学光学研究光的本性，光的产生、传播、光与物质相互作用以及光在科技中应用的科学。光学的内容1.几
2、何光学：以光的直线传播、反射、折射三大实验定律为基础，研究光在透明介质中的传播与成像的规律2.波动光学：以Maxwell电磁理论为基础，研究光的波动性、电磁性(主要在宏观传播方面)3.量子光学：以光的量子理论为基础，描述光的粒子性(主要表现在发光机制及光与物质的相互作用方面)波动光学，量子光学统称物理光学，描述光的本性！第5页，本讲稿共18页 当光场(光波传播到的整个区域)的特征量(能量密度、光强度)h时，量子效应不明显波动光学！传播过程中障碍物线度远远大于波长几何光学 光与物质相互作用时(一个光子与一个原子作用)量子光学光学的分类第6页，本讲稿共18页1.光的机械微粒说与初期波动说的斗争微粒
3、说：光是粒子流(满足力学规律)代表人物：Descartes,Newton起因:光的直线传播-易用自由粒子解释；光能在真空中传播-机械波需要介质；牛顿的权威(机械论的观念)光是什么？第7页，本讲稿共18页微粒说对直进、反射、折射的解释:反射：弹性碰撞折射：微粒受界面法向力的作用存在问题：(1)不能解释当时已发现的干涉现象(牛顿环)(2)得出光密介质光速大的错误结论第8页，本讲稿共18页波动说：光是一种波动现象代表人物：Hooke,Huygens理论观点：光是以太中的振动的传播，以太中每一点可看成次波源起因:二列波的独立传播现象;发现牛顿环现象(Hooke发现，象水波)；Grimalde发现衍射现
4、象第9页，本讲稿共18页Huygens解释折射：(Huygens原理)缺点：不完善，不能解释光的直进，也不能解释衍射！第10页，本讲稿共18页重新兴起：1801年杨氏(T.Young)双缝干涉实验1802年杨用波相干叠加思想解释双缝实验1808年马吕斯发现光的偏振给机械粒子说致命打击的两个实验：小圆盘衍射水中光速的测定这时期的主要物理思想是：Young对干涉的解释和Fresnel对衍射的解释惠-菲原理！2.波动说的初步确立第11页，本讲稿共18页19世纪电磁学迅速发展，最后麦克斯韦把电磁学规律总结为四个方程，建立了完整的电磁理论体系。麦克斯韦断言，光波=电磁波！后来，赫兹(H.Hertz)用实
5、验证实了电磁波的存在，并发现电磁波也有反射、折射、干涉、衍射等现象。以后一个时期，经典光学以麦氏电磁理论为基础，解释了所有关于光的传播现象(干涉、衍射、偏振、双折射等等)，使经典光学达到相当完美的地步。3.光由类机械波向光是电磁波的转变第12页，本讲稿共18页以太的否定，电磁波是物质波 当波动说确定后，人们初认为光是以太中传播的类弹性波；但根据机械弹性理论研究以太，发现以太有许多难以想象的性质。最根本的：若有以太存在，就有以太绝对静止系，可以测到以太相对地球的速度。这被实验证伪。Einstein否定以太。电磁波不需要介质。电磁波是物质波。第13页，本讲稿共18页1900年，普朗克发现了黑体辐射
6、公式，并提出了“能量子假说”：物质在发光时是一份份辐射的1905年，爱因斯坦为解释光电效应，提出“光量子假说”：光是光子流(不但在辐射时是一份份的，在传播、吸收时也是一份份的)康普顿散射：光子与电子作用时满足动量守恒与能量守恒4.光的本性具有波粒二象性思想的确立至此，人们不得不承认，一方面光在宏观传播时表现出波动性，另一方面，在光与物质相互作用时，发生能、动量交换时光有充分显示出量子化(粒子性)的特征。第14页，本讲稿共18页1924年前后，德布罗意受光的波粒二象性启发，提出微观粒子也具有波粒二象性的大胆假设，导致量子力学诞生(微观粒子的波动力学)，后被电子衍射、中子衍射所证实。5.对量子理论
7、的影响后来海森堡、玻尔、波恩、薛定谔、狄拉克等人创立和发展了量子力学20世纪20-30年代，狄拉克、费米等人又在量子力学基础上创立了“相对论量子力学”、“量子场论”、“量子电动力学”，描述基本粒子之间、光子与带电粒子之间的相互作用。第15页，本讲稿共18页从现象上看 传播现象主要表现出波动性，出现干涉、衍射、偏振等，规律完全由麦克斯韦电磁理论描述。光场与物质相互作用(包括发光)主要表现出粒子性，规律由量子光学描述。本质上 光的动力学行为(光与粒子的相互作用)能、动量交换是量子化的，局域的，一次性的，在此意义上，光是光子流。为何仍可讲光是电磁波？光的波粒二象性的简单理解第16页，本讲稿共18页单个光子的运动学的统计规律由电磁理论描述。光很弱时，光子一个一个被探测到，不可能半个光子(粒子性);少量时，无规律，大量光子时，出现干涉条纹亮度大则光子出现的几率大。光子在屏上出现几率与电磁理论计算结果一致。光波是光子的几率波。第17页，本讲稿共18页“Light is,in short,the most refined form of matter.”-Louis de Broglie第18页，本讲稿共18页