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1、 第0章 绪论 浅谈 光 and 电子光：light,photo,photon,opto-,电子：electron,光电子:optoelectron.一.光的认识历程微粒说：1667 年（笛卡尔在屈光学一书中首先）明确提出光是机械微粒的观点。牛顿是主张微粒说的主要代表，认为光是一种细微的大小不同的而又迅速运动的粒子从远处发光体那里一个个地发射出来。微粒说波动说量子说波动说粒子说波粒二象性人类很早就开始了对光的观察和研究。从17 世纪到20 世纪初“波动说”“微粒说”两种对立的学说展开了激烈的争论，最终以光的波粒二象性告终。正是这场争论导致了20 世纪物理学的重大成就 量子力学的诞生。光的波动说
2、：1660 年（意大利的格里马尔迪）首先提出了光的波动观点。1690 年惠更斯提出光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”。提出惠更斯原理，据此解释了光的反射、折射和双折射现象。微粒说与波动说的争论1672 年牛顿指出波动说有三个要害问题：1.不能解释光的直线传播；2.波动说不能解释偏振现象；3.波动说赖以存在的以太值得怀疑。托马斯杨及实验示意图（过了一个世纪以后）1770 年左右托马斯 杨做了一个非常重要的实验，颠覆了牛顿的光粒子论。实验先让一束光通过一个缝，然后在缝隙的板后面再加了一个双缝。如果说光是一个粒子的话，直接打过去就不一定能够通过双缝。但是如果光是光波的话就
3、可以绕过去，而且通过两个缝绕过去以后，会形成一个干涉条纹。惠更斯则认为如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。微粒说与波动说的争论1811 年，布吕斯特发现了光的偏振现象的经验定律。这使波动说陷入困境。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振。1819 年底，非涅耳对光的传播方向进行定性实验之后，他与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论。十九世纪以太说重新活跃起来。泊松发现：如果“以太”是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾。光“以太”必须是既能传播横波又必须能产生切向力的胶
4、状体或弹性介质,且弹性模量比钢还大,这种非常离奇的性质是光的杭械波动论本身根本无法解决的。如此性质的“以太”是难以想象的！“以太”的问题是留给物理学的一个谜题。从此科学家们开始了对“以太”长达百年的探索。早在公元前585 年，希腊哲学家泰勒斯已记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体 1747 年，美国的富兰克林根据实验提出：在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素；电跟流体一样，摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体，但不能创造；任何孤立物体的电总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒定律。他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带“正电”，物体失去电而不足的部分叫做带“负电”
5、。1785 年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。19 世纪初，科学界普遍认为电和磁是两种独立的作用。与这种传统观念相反，丹麦的自然哲学家奥斯特接受了德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想，坚信电与磁之间有着某种联系。经过多年的研究，奥斯特终于在1820 年发现电流的磁效应：当电流通过导线时，引起导线近旁的磁针偏转。电流磁效应的发现开拓了电学研究的新纪元。二.电子的认识历程 1831 年英国物理学家法拉第发现电磁感应定律，紧接着他做了许多实验确定电磁感应的规律，他发现当闭合线圈中的磁通量发生变化时，线圈中就
6、产生感应电动势，感应电动势的大小取决于磁通量随时间的变化率。1860 年前后，麦克斯韦指出，变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场；变化的电场引起媒质电位移的变化，电位移的变化与电流一样在周围的空间激发涡旋磁场。麦克斯韦明确地用数学公式把它们表示出来，从而得到了电磁场的普遍方程组 麦克斯韦方程组。至此，光学与电学开始联系起来。1864 年麦克斯韦在电磁场的动力理论一文中提出：“光是存在于媒质中的横波；光波是媒质中传播的波长较短的电磁波”。1888 年赫兹在实验室产生了电磁波，证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性。光波是电磁波，光速等于电磁波的传输速度。光波传播速度、频率 和波长 的关系满足波的一般方
7、程：1899 年 洛 伦 兹 根 据 电 子 的 特 性，提 出 电 子 论，物 质 的 电 磁 性 质 归 结 为 原 子 中电 子 的 效 应，将 麦 克 斯 韦 方 程 组 应 用 到 微 观 领 域，不 仅 解 释 了 物 质 的 极 化、磁化、导 电 等 现 象 以 及 物 质 对 光 的 吸 收、散 射 和 色 散 现 象；而 且 还 成 功 地 说 明 了关 于 光 谱 在 磁 场 中 分 裂 的 正 常 塞 曼 效 应。从 此 经 典 电 磁 场 理 论 建 立 起 来 了，并且电子学领域开始活跃起来。三.“两朵乌云”-相对论和量子力学头顶“两朵乌云”的开尔文勋爵19 世纪末以
8、经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理理论已经成熟。开尔文曾说“十九世纪末，物理学的大厦已经建成，晴朗天空中的远处飘浮着两朵的令人不安的乌云.”正是这两朵乌云掀起了狂风暴雨，催生出了二十世界现代物理学的两大支柱相对论和量子力学。第一朵：迈克耳逊莫雷实验迈克尔逊光波为什么能在真空中传播？物理学家给光找了个传播介质“以太”。但是，新的问题又产生了：地球以每秒30 公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30 公里的“以太”风迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。为了观测“以太风”是否存在，1887 年，迈克耳逊与美国化学家、物理学家莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验：
9、“迈克耳逊莫雷实验”，即“以太漂移”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球上设想的“以太”之间没有相对运动。狭义相对论爱因斯坦迈克耳逊和莫雷的论文发表后，人们起先怀疑实验结果，后来逐渐相信了这个结果。那么出路又在哪里呢？迈克耳逊为物理世界带来的这朵乌云，它飘在经典物理的上空，愈来愈大。最终，一个年轻人手持利剑，劈开了这朵乌云，也摧毁了开尔文口中牢固不破的物理大厦，为这个世界带来了一副新的景色。这个年轻人，叫做阿尔伯特 爱因斯坦，这把利剑，叫做狭义相对论。第二朵：黑体辐射与“紫外灾难”19 世纪末，卢梅尔（1860 1925）等人的黑体辐射实验，发现
10、黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利 金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。这被称为“紫外灾难”。普朗克的能量子假说和黑体辐射公式光电效应但是到了1902 年，莱纳德在赫兹实验基础上做了这么一个非常重要的实验。真空管里面打入光以后材料表面会逸出电子，然后用一个非常简单的电路来测出光电子的能量。他惊奇地发现光电子的能量和光的强度是毫无关系的
11、，而且跟它的频率有关。这个实验结果是没有办法用光的光波性质来解释的。这就是光电效应。爱因斯坦光电理论光电效应是光与物质之间发生的效应。光电效应的发生是光波与物质核外电子相互作用的结果。给爱因斯坦的诺贝尔颁奖词爱因斯坦这样描述这一现象：“好像有时我们必须用一套理论，有时候又必须用另一套理论来描述（这些粒子的行为），有时候又必须两者都用。我们遇到了一类新的困难，这种困难迫使我们要借助两种互相矛盾的的观点来描述现实，两种观点单独是无法完全解释光的现象的，但是合在一起便可以。”光波粒二相性1914 年密立根用实验检验了假说的正确性和普朗克常数h 的精确值。德布罗意提出，不仅光是光具有波粒二象性，电子包
12、括一切实物粒子都是具有波粒二相性的。物质波的动量 与波长 满足下列公式：光最终以同时具有波动性说和微粒说的结果而告终。由此,光的波粒二象性使人类对光本质的认识又大大向前迈进了一步。但需指出,对于光的波粒二象性目前还无法用清晰的物理图象来描述,这正说明人类对光本质的认识还远远没有达到理想境地。1905 年爱因斯坦提出光电效应的光量子解释。微粒说波动说量子说波动说粒子说波粒二象性除了要认识光，更要认识矛盾的另一方 物质。物质的核外电子是在各自的轨道上绕着原子核有规则地排列、并按一定的速率有规律地运转；且在运转轨道的垂直面上伴生着电磁波；结合电子的运转速率就是该物质在光电实验时所具有的极限频率。德布
13、罗意提出，不光是光具有波粒二象性，电子包括一切实物粒子都是具有波粒二相性的。四.原子结构的发现-电子能级现代原子结构19 世纪末以前，原子一直被认为是不可分割的。1879 年汤姆逊发现电子，提出了正电荷均匀地分布在原子中，电子又均匀分布在正电荷中的模型。人们逐渐认识到原子也有本身的结构。1909 年，卢瑟福用一束高能带正电的氦离子流轰击金箔时发现绝大多数粒子几乎不受阻碍直接通过金箔。汤姆逊模型原子结构的发现卢瑟福及其原子模型1911 年，卢瑟福据此提出“核式模型”：每个原子中心有一个极小的原子核，几乎集中了原子的全部质量并带有Z 个单位正电荷，核外有Z 个电子绕核旋转，电子绕核如同行星绕日运行
14、，因此这一模型也被称为“行星式模型”。原子结构的发现氢原子光谱及其结构但是卢瑟福的模型与经典电磁学模型有了冲突，电子在做圆周运动，是变加速运动，理应向外辐射电磁波。丹麦物理学家玻尔在1913年引用量子论，假设了定态不会辐射电磁波，提出了对氢原子有效的“玻尔模型”，是经典到量子的过渡模型。玻尔原子结构的发现氢原子的波函数（左）和电子云模型（右）薛定谔认为电子并不在任何一确定的轨道上运动，而是在原子核外一定范围内高速运动。1919 年卢瑟福发现了质子。1932 年，英国物理学家查德威克发现了中子。众多科学家的努力让人类对微观世界有了更进一步的认识。原子结构的发现德布罗意（左）和薛定谔（右）在这个时
15、期，薛定谔和德布罗意根据普朗克和爱因斯坦的理论开始完善量子力学。1926 年，德国物理学家薛定谔应用一种波动方程的数学形式描述了电子绕原子核的运动。能带理论分析能带理论分析人类对光电的量子认知改变了我们的生活。半导体，芯片，信息化，计算机，电子设备,互联网等等。今天很多的科研是以光，电子为手段的量子信息。将来有一天也许光，电 会给我们带来了下一步的突破。年月在比利时布鲁塞尔国际索尔维物理研究所召开了第五次索尔维会议，此会议的主题为“电子与光子”。世界上最著名的物理学家聚在一起讨论光子、电子、量子理论。至此，基于光的本质认知、电子的发现、辐射发光、光电探测的研究，导致量子力学的大厦基本建立。在此，向光、电子物理学和量子理论的先驱们致敬！向光、电子物理学的先驱致敬！感谢您的观看.2020.10