光电子技术(第0章)课件

1、第第0 0章章 光电子技术发展概述（补）光电子技术发展概述（补）光电子技术：光电子技术：与光有关的光学（包括光子学与光有关的光学（包括光子学PhotonicsPhotonics）和（微）电子）和（微）电子技术。技术。光对人类的生活和社会的发展极重要。光对人类的生活和社会的发展极重要。1.1.经典理论的发展：经典理论的发展：光的应用始于开天辟地；光的应用始于开天辟地；近代光学始于十七世纪初开普勒的光学研究，以望远镜和显微镜的发明为转折而发展起来。研究光的本性主要源于研究光的本性主要源于1717世纪世纪光到底是什么？光到底是什么？1717世纪时的两种对立学说：世纪时的两种对立学说：英英IsaacI

2、saac NewtonNewton（1642-17271642-1727）：光是粒子流（微粒说）。）：光是粒子流（微粒说）。荷兰荷兰Christian HuggensChristian Huggens（1629-16951629-1695）：光是光源发出）：光是光源发出的波（波动说的波（波动说与现在的波动说不同）。与现在的波动说不同）。5光的本性光的本性光的波粒二象性光的波粒二象性 光学真正形成一门学科，从反光学真正形成一门学科，从反射定律和折射定律算起，这两射定律和折射定律算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。个定律奠定了几何光学的基础。什么是光什么是光? ?光的本质是什么光的本质是什么?

3、?光是由什么组成的光是由什么组成的? ?人们认识光的本性经过了人们认识光的本性经过了艰难而又曲折的道路。艰难而又曲折的道路。6墨子、培根、达芬奇等研究过光学现象。反射定律是人们很早就认识的光学定律之一。伽利略靠望远镜发现“新宇宙”，震惊世界。荷兰数学家斯涅尔发现了光的折射定律。笛卡尔提出了光的微粒说 7法国科学家笛卡儿：法国科学家笛卡儿：首先提出首先提出了光的微粒说。了光的微粒说。生于生于15961596年，年，是近代科学技术史上一位有多是近代科学技术史上一位有多方面成就的伟大学者，其思想方面成就的伟大学者，其思想影响了整个影响了整个1717世纪。世纪。作为近代科学技术史上的伟大作为近代科学技

4、术史上的伟大科学家，笛卡儿探索了科学技科学家，笛卡儿探索了科学技术的众多领域，取得了众多科术的众多领域，取得了众多科研成果。研成果。（1 1）用）用微粒子涡动理论微粒子涡动理论说明太说明太阳和行星的运动；阳和行星的运动；（2 2）证明了宇宙永远保存着同）证明了宇宙永远保存着同量的运动，提出了运动守恒定量的运动，提出了运动守恒定律。律。8牛顿：(1643.1.4-1727.3.31)，生于英格兰林肯郡的沃尔索普村；数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家；1661年入英国剑桥大学三一学院；1665年获文学士学位。随后两年在家乡躲避瘟疫；1667年回剑桥后当选为三一学院院委，次年获硕士学位；1669

5、年任卢卡斯教授直到1701年；1703年任英国皇家学会长（学霸）；1706年受女王安娜封爵；他晚年潜心于自然哲学与神学。9牛顿对光学的贡献有：（1）1666年，牛顿在家休假期间，他用得到的三棱镜进行了著名的色散试验，发现白光是由不同颜色的光组成的；1672年，发表在皇家学会哲学杂志上，这是他第一次公开发表的论文。（2）1668年，他制成了第一架反射望远镜样机，1671年把改进的望远镜献给皇家学会，名声大震并选为皇家学会会员；奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。（3）强化了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且是最快的直线运动路径，成为当时的代表。10牛顿牛顿微粒说：光是直线微粒说：光是直线

6、传播的微粒流。（建传播的微粒流。（建立在笛卡儿基础之上）立在笛卡儿基础之上）牛顿还进行了大量的观察实验牛顿还进行了大量的观察实验和数学计算，现象，和数学计算，现象，“牛顿环牛顿环”的光学现象等等。的光学现象等等。 “微粒说微粒说”认为：认为：这些微粒从光源飞这些微粒从光源飞出，质量极小，忽略重力作用，在出，质量极小，忽略重力作用，在真空或均匀媒质中做惯性运动，并真空或均匀媒质中做惯性运动，并且走的是最快速的直线运动路径。且走的是最快速的直线运动路径。白光是各不同颜色光组成白光是各不同颜色光组成主張微粒說的牛頓一直將已完成的著作光學延遲到虎剋死後才出版，光學出版後，奠定了微粒說的統治地位。11虎

7、克和牛顿的关系一直充满了争论。两人存在较大的敌意。争论源于光学，1672年牛頓顿在皇家学会阐述观点，认为白光经过棱镜产生色散，分成七色光，他解释为不同颜色微粒的混合与分开，遭到主张波动说（如声的纵波）的虎克的尖锐批评。牛顿大怒，称虎克完全沒有理解自己这一划时代发现的意义，并威胁要离开皇家学会。12例如，为什么两束光可以彼例如，为什么两束光可以彼此交叉通过而互不干扰此交叉通过而互不干扰? ? 微粒说面临着许微粒说面临着许多棘手的问题：多棘手的问题：研究牛顿环时，牛顿认研究牛顿环时，牛顿认识到了光的周期性识到了光的周期性牛顿主张中有一个假设，牛顿主张中有一个假设，就是媒质中光速比空气中就是媒质中光

8、速比空气中的光速大。的光速大。13惠更斯惠更斯( (See p1-2See p1-2）16901690年年提出提出波动说：波动说：光是在光是在以太以太中传播的波动（局限中传播的波动（局限1:1:以太）以太）惠更斯惠更斯波动学说，打破了当时流行的光的微粒学说，波动学说，打破了当时流行的光的微粒学说，提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理。提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理。光的传播方式光的传播方式与声音（局限与声音（局限2:2:纵波）纵波）类似类似，不是微粒说所设想的像子弹，不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。或箭那样的运动。 惠更斯设想惠更斯设想: :传播光的以太粒子传播光的以太粒子非常之

9、硬，有极好的弹性，光的传非常之硬，有极好的弹性，光的传播就像振动沿着一排互相衔接的钢播就像振动沿着一排互相衔接的钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速度传到最碰撞运动就会以极快的速度传到最后一个球。后一个球。14微粒说在解释光微粒说在解释光线从空气进入水线从空气进入水中的折射现象时，中的折射现象时，需要假设；需要假设； C C水水CC空气空气 这两种学说都可以解释一定的光学现象（光这两种学说都可以解释一定的光学现象（光的直线传播、反射和折射定律）。的直线传播、反射和折射定律）。波动说需要假设波动说需要假设 C C水水CC空气空气 但当时人们还不

10、能准但当时人们还不能准确地用实验方法测定确地用实验方法测定光速光速因而无法根据折射因而无法根据折射现象去判断它们的现象去判断它们的优劣。优劣。杨氏实验：杨氏实验：蜡烛放在开孔的纸前面，蜡烛放在开孔的纸前面，形成点光源；纸后再放一张开有两道形成点光源；纸后再放一张开有两道平行狭缝的纸；光穿过两道狭缝投到平行狭缝的纸；光穿过两道狭缝投到屏幕上，形成明、暗条纹屏幕上，形成明、暗条纹该实验现象证据确凿，无法反驳。该实验现象证据确凿，无法反驳。微粒说无法说明两道光叠加在一起反而微粒说无法说明两道光叠加在一起反而造成黑暗。造成黑暗。 1919世纪后，波动说逐步发展为现在的波动理论：世纪后，波动说逐步发展为

11、现在的波动理论：英国英国Thomas YoungThomas Young干涉实验干涉实验16而波动理论可解释而波动理论可解释：两孔距离屏上某点的距离：两孔距离屏上某点的距离不同，当距离差是波长的整数值时，光波同不同，当距离差是波长的整数值时，光波同相加强，形成亮点；当距离差为半波长时，相加强，形成亮点；当距离差为半波长时，两列波反相抵消，造成暗点。两列波反相抵消，造成暗点。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。Thomas YoungThomas Young（1773-18291773-1829）的）的干涉实验及理论干涉实验及理论被说成被说成“毫无

12、价值毫无价值”, ,牛顿学说及其影响仍居牛顿学说及其影响仍居统治地位）统治地位） （See p58See p58）17发现了光干涉、衍射（圆孔、菲氏）和偏振等现象。发现了光干涉、衍射（圆孔、菲氏）和偏振等现象。与微粒说格格不入，但原惠更斯理论也难解释与微粒说格格不入，但原惠更斯理论也难解释增透膜薄膜干涉镜面检测圆屏衍射圆孔衍射钢针的衍射光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波18 频率相同频率相同 振动方向相同振动方向相同 相位相同相位相同 具有固定相位差具有固定相位差 在相遇区域在相遇区域产生干涉产生干涉当光波间当光波间点着酒精灯，在其火焰上点着酒精灯，在其火

13、焰上洒一些洒一些食盐食盐，酒精灯发出，酒精灯发出黄色火黄色火焰焰；把带；把带肥皂液薄膜肥皂液薄膜的金属圈放的金属圈放在酒精灯旁适当的位置，使眼睛在酒精灯旁适当的位置，使眼睛恰能看到由薄膜反射而生成的黄恰能看到由薄膜反射而生成的黄色火焰的色火焰的虚像；当肥皂薄膜下垂虚像；当肥皂薄膜下垂到一定程度，就在虚像上出现了到一定程度，就在虚像上出现了明暗相间的干涉条纹。明暗相间的干涉条纹。19干涉条纹形成的原因：干涉条纹形成的原因：竖立的竖立的肥皂薄膜肥皂薄膜在重力作在重力作用下形成了用下形成了上薄下厚上薄下厚的楔的楔形。当酒精灯的火焰照射形。当酒精灯的火焰照射到薄膜上时，到薄膜上时，分别分别从膜的从膜的

14、前表面和后表面反射的两前表面和后表面反射的两列光波列光波，它们频率相同，它们频率相同，方向一致，能产生干涉。方向一致，能产生干涉。不同单色光的薄膜干涉条纹不同单色光的薄膜干涉条纹 可见，波长可见，波长越长，干涉条纹越宽越长，干涉条纹越宽20白光的薄膜干涉条纹白光的薄膜干涉条纹彩色条纹彩色条纹肥皂泡和水面上的油膜所呈肥皂泡和水面上的油膜所呈现的美丽色彩。现的美丽色彩。21衍射衍射特点：特点：光传播方向会变，光传播方向会变，经障碍物后会绕经障碍物后会绕到其几何阴影区；到其几何阴影区； 在几何阴影区在几何阴影区附近，波的强度附近，波的强度会有起伏。会有起伏。22生活中，极少发生活中，极少发现光绕到障

15、碍物现光绕到障碍物后面去的衍射现后面去的衍射现象象 只有当障碍物的只有当障碍物的尺寸与波长相近尺寸与波长相近时，衍射现象才时，衍射现象才较显著。较显著。 在空气中，无线电在空气中，无线电(10-10(10-103 3) )米，米，可闻声波可闻声波 (10(102 2-10)-10)米，其衍射现米，其衍射现象极为常见象极为常见 而光波波长在可见光区是而光波波长在可见光区是(0.4-0.7)(0.4-0.7)微米，故其衍射现微米，故其衍射现象少见。象少见。23自然光或非自然光或非偏振光：偏振光：电场振电场振动方向动方向漫无规漫无规则则偏振：偏振： 偏振光：偏振光：电场矢电场矢量具有量具有一定的一定

16、的规则规则 振动面：振动面：线偏振光的振动方向与传播方向构线偏振光的振动方向与传播方向构成的平面。成的平面。 部部分分偏偏振振光光园园偏偏振振光光椭椭园园偏偏振振光光24在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。25虽然惠更斯发展了波动说，虽然惠更斯发展了波动说，但他但他把光看成像声波一类的把光看成像声波一类的纵波纵波，因，因此不能解释这些偏振、干涉和衍此不能解释这些偏振、干涉和衍射现象。射现象。但是光波的本质

17、到底是什么？但是光波的本质到底是什么？是像水波？还是像声波呢？是像水波？还是像声波呢？（菲涅尔出现了）（菲涅尔出现了）26据此，他以严密的数学推理，圆满地解释了光的衍射，及一直以来困扰波动说的偏振问题。他研究了偏振光的干涉，确定了光是横波他研究了偏振光的干涉，确定了光是横波（18211821）；）；他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象(1823), 用波动说解释了偏振面的旋转；用波动说解释了偏振面的旋转；他推出了反射定律和折射定律的定量规律，他推出了反射定律和折射定律的定量规律，即即菲涅耳公式菲涅耳公式；解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折射现解释了马吕斯的反射光偏振

18、现象和双折射现象，奠定了晶体光学的基础。象，奠定了晶体光学的基础。菲涅耳由于在物理光学研究中的重大成就，被誉为菲涅耳由于在物理光学研究中的重大成就，被誉为“物理光学的缔造者物理光学的缔造者”。菲涅耳菲涅耳认为光是一种波，但革命性地认为光是认为光是一种波，但革命性地认为光是横横波波( (类似水波，振子运动垂直于传播方向的波类似水波，振子运动垂直于传播方向的波););而不是从胡克以来所认为的是而不是从胡克以来所认为的是纵波纵波( (类似弹簧波，类似弹簧波，振子运动与传播方向相同的波振子运动与传播方向相同的波) )。27菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微- -波说战争波

19、说战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖的决定性事件。他获得了那一届的科学奖(Grand(Grand Prix)Prix)，同时一跃成为了可以和牛顿、惠，同时一跃成为了可以和牛顿、惠更斯比肩的光学界的传奇人物。更斯比肩的光学界的传奇人物。 (See p63)(See p63)所以，所以，Augustin Jean FresnelAugustin Jean Fresnel（1788-18271788-1827）基）基于弹性媒质力学波用数学表达了于弹性媒质力学波用数学表达了HuggensHuggens原理原理（Huggens-FresnelHuggens-Fresnel原理原理），奠定了波动理论

20、基），奠定了波动理论基础后，波动说才为大家所接受。础后，波动说才为大家所接受。281850年，法国傅科设计了一面旋转的镜子，让它用一定的速度转动，使它在光线发出并且从一面静止的镜子反射回来的这段时间里，刚好旋转一圈。这样，能够准确地测得光线来回所用的时间，就可以算出光的速度。到到1919世纪中期，微粒说挽回战局的唯世纪中期，微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了。一希望就是光速在水中的测定结果了。因为根据粒子论，这个速度应该比真因为根据粒子论，这个速度应该比真空中的光速要快，而根据波动论，这空中的光速要快，而根据波动论，这个速度则应该比真空中要慢才对。个速度则应该比真空中要慢才对。

21、但不幸出现了傅科。但不幸出现了傅科。 经多次实验，测得的光速平均值等于 2.98108米/秒。值得一提的是，傅科在整个装置充入了水，测定了光在水中的速度。他发现光在水中的速度与空气中的速度之比近似等于3/4，正如等于水和空气的折射率之比，水中的光速慢于真空中的光速，与微粒理论的预言相悖。29 法国法国JeanBernardLeon FoucaultJeanBernardLeon Foucault（傅科（傅科1819-1819-18681868）在在18501850观察到的观察到的水中光速比空气中的慢水中光速比空气中的慢证实了证实了波动说。波动说。30 麦克斯韦麦克斯韦预言了电磁波的存在，发现电

22、磁波的传播速度与当时用精确实验室方法测得的光速非常接近。麦克斯韦没有把这一发现当成一种巧合，他相信这其中必定有物理上的奥秘。于是，在麦克斯韦的脑海里，显现了创造性的具有极其重大意义的新见解。他他18651865年预言了电磁波的存在年预言了电磁波的存在麦氏的电磁场理论将长期以来彼此独立的电学、磁学与光学结合起来，实现了物理学中规模空前的大统一。但是，当时人们对麦克斯韦电磁场理论的深刻含义没有给予应有的重视。31英国英国James Clerk MaxwellJames Clerk Maxwell（1831-18791831-1879）总结了电磁学）总结了电磁学规律的方程组，从规律的方程组，从理论上

23、证明了电磁波的存在并求出理论上证明了电磁波的存在并求出了电磁波的速度。了电磁波的速度。该速度与当时测得的光速相近，启该速度与当时测得的光速相近，启发人们推断光是电磁波。发人们推断光是电磁波。光的电磁理论可解释大多数光的电磁理论可解释大多数光行为（但不包含量子概念）光行为（但不包含量子概念）。目前仍广为应用该理论。目前仍广为应用该理论。在电磁波理论基础上，随着大功率激光的应用，发展了在电磁波理论基础上，随着大功率激光的应用，发展了非线性光学（也适用）非线性光学（也适用）32Electromagnetic Spectrum331888 年，德国年轻的物理学家赫兹用实验产生了电磁波，证明了电磁波的存

24、在。同年，赫兹用实验测定了电磁波在空气中的传播速度，其结果与光在空气中传播速度相同。接着，赫兹又做了一系列的电磁实验。做了接着，赫兹又做了一系列的电磁实验。做了干涉、衍射、偏振等实验。这一切都清楚地干涉、衍射、偏振等实验。这一切都清楚地表明，电磁波的性质与光波的性质相同。表明，电磁波的性质与光波的性质相同。赫兹的实验，雄辩地证明了麦克斯韦电磁场理论的赫兹的实验，雄辩地证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性，即证明了光的电磁波动理论的正确性，使正确性，即证明了光的电磁波动理论的正确性，使人们对麦克斯韦在科学上取得的重大成就有了基本人们对麦克斯韦在科学上取得的重大成就有了基本正确的估价。正确的估价。34

25、光的电磁波动理论排除光的电磁波动理论排除了机械以太困难。但是，了机械以太困难。但是，代替机械以太的代替机械以太的“电磁电磁以太以太”也不能解释光与也不能解释光与其它物质作用时的一些其它物质作用时的一些现象。现象。人们形成了广义光的概念，人们形成了广义光的概念，即将波长短于远红外线的即将波长短于远红外线的一切电磁波统称为光。一切电磁波统称为光。光的电磁波动理论，使人光的电磁波动理论，使人类对光的认识更加深化，类对光的认识更加深化，认识范围更加扩大。光具认识范围更加扩大。光具有波动性，光是电磁波。有波动性，光是电磁波。反常色散。反常色散。电光效应，电光效应，泡克耳斯效泡克耳斯效应。应。光是横波已十

26、分清楚，其速度也精确测量30万公里/秒。但波动说还有一个小困难，即电磁以太问题。35Maxwell Maxwell 理论建立在以太假设基础上的。理论建立在以太假设基础上的。但法国但法国Henri PoincareHenri Poincare（1854-19121854-1912）提出不存在以太）提出不存在以太的观点；的观点；同时发现了一些新的现象，如光电效应、康普顿效应同时发现了一些新的现象，如光电效应、康普顿效应等，无法用纯波动说解释等，无法用纯波动说解释故，光到底是什么还没彻底清楚，波粒二相性？ 362.量子光学（光子学）（1 1）否定以太）否定以太迈克尔逊迈克尔逊大地速度实验彻底否定了以

27、太（绝对惯性系）大地速度实验彻底否定了以太（绝对惯性系）的存在（的存在（See p178See p178、182-184182-184） ；Albert EinsteinAlbert Einstein（1879-19551879-1955）据此提出光速与光源、）据此提出光速与光源、观察者的运动状态无关，否定了以太，创立了观察者的运动状态无关，否定了以太，创立了狭义相狭义相对论。对论。电磁波在自由空间传播，其本身是物质实体电磁波在自由空间传播，其本身是物质实体。37 （2 2）热辐射）热辐射任何物体在一定的任何物体在一定的（绝对（绝对0 0度以上）温度以上）温度上，都要辐射各度上，都要辐射各种波

28、长的电磁波，种波长的电磁波，这种辐射与物体的这种辐射与物体的温度有关，称为热温度有关，称为热辐射或温度辐射。辐射或温度辐射。其本质是电磁能量其本质是电磁能量交换。交换。T某物体某物体环境环境入入射射吸收吸收反射反射热辐射热辐射38热辐射是十九世纪发展热辐射是十九世纪发展起来的一个物理学新领起来的一个物理学新领域，它的研究得到了热域，它的研究得到了热力学和光谱学的支持。力学和光谱学的支持。十九世纪末，十九世纪末，物理学正物理学正是从这个领域打开了一是从这个领域打开了一个缺口，导致了量子论个缺口，导致了量子论的诞生。的诞生。3940高空飞机彩色红外照片高空飞机彩色红外照片高空飞机彩色自然照片高空飞

29、机彩色自然照片41在热辐射的研究中，热辐射的辐射能量，在热辐射的研究中，热辐射的辐射能量，特别是这一辐射的能量随波长分布的特特别是这一辐射的能量随波长分布的特性，往往是物理学家研究的重点。性，往往是物理学家研究的重点。1919世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候，出现了著名的所谓实验的时候，出现了著名的所谓“紫外灾紫外灾难难”。虽然瑞利、金斯（。虽然瑞利、金斯（1877194618771946）和维）和维恩（恩（1864192818641928）分别提出了两个公式，但）分别提出了两个公式，但是和实验相比，瑞利是和实验相比，瑞利金斯公式只在低频范金斯

30、公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高频范围符合。围符合，而维恩公式只在高频范围符合。42维恩位移定律维恩位移定律bTmax式中常数式中常数Kmb.10897.23TTT321实验结果实验结果321随温度的升高，单色辐射能量最大的波长向短波方向移动。随温度的升高，单色辐射能量最大的波长向短波方向移动。Te,oT11T22T3343 W.维恩（德）维恩（德）1864-1928发现热辐射定律获发现热辐射定律获1911年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。44研究黑体热辐射时出现的矛盾及所遇到的困难研究黑体热辐射时出现的矛盾及所遇到的困难Te,R-J curve瑞利瑞利-金斯曲线金斯曲线W-curve维恩曲线维恩

31、曲线实验曲线实验曲线经典理论与实验结经典理论与实验结果的矛盾与碰撞，果的矛盾与碰撞，引起人们的深思。引起人们的深思。根据严格的电磁理论，热力根据严格的电磁理论，热力统计物理计算得出的理论曲统计物理计算得出的理论曲线线oTccTe1exp,5142,kTcTe维恩公式维恩公式瑞瑞-金公式金公式45Max Karl Ernst Ludwig Planck德国物理学家，量子物理学的开创者： 1900.12.14在德国物理学会宣读了关于正常光谱中能量分布定律的理论论文，提出能量的量子化假设，并导出了黑体辐射能量分布公式。结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论诞生日”。46 普朗克普朗克

32、：（：（18961896年）导出了一个和实验相符的公年）导出了一个和实验相符的公式。为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假式。为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是的的能量的最小数值能量的最小数值 E=hE=hn n。普朗克当时把它叫做普朗克当时把它叫做基本作用量子基本作用量子，h h普朗克常数普朗克常数普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数，它标志着

33、普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数，它标志着物理学从物理学从“经典幼虫经典幼虫”变成变成“现代蝴蝶现代蝴蝶”470nhnh2nnh核心：核心：能量量子化能量量子化普朗克的量子假设，普朗克公式普朗克的量子假设，普朗克公式普朗克假设普朗克假设：辐射物质中具有带电的线性谐振子（如分子，原：辐射物质中具有带电的线性谐振子（如分子，原子的振动），它们和周围的电磁场交换能量。谐振子的能量只能是子的振动），它们和周围的电磁场交换能量。谐振子的能量只能是其中其中 为谐振子的频率。为谐振子的频率。 是一个普适衡量，称为普朗克衡量。是一个普适衡量，称为普朗克衡量。 叫叫 能量子。吸收和辐射的能量为能量子的整

34、数倍，谐振子只能量子。吸收和辐射的能量为能量子的整数倍，谐振子只能处以一些特殊的能态。其中能处以一些特殊的能态。其中nnnnnnhhhhh4 ,3 ,2 , 0nnhsJh.341063. 6hStep Energy 为了解决绝对黑体辐射问题中的矛盾，他独辟蹊径，提出了为了解决绝对黑体辐射问题中的矛盾，他独辟蹊径，提出了与经典理论决然不同的理论和观点：与经典理论决然不同的理论和观点：48普朗克公式普朗克公式 在一定温度下，从物体单位表面积上，单位时间内，分布在在一定温度下，从物体单位表面积上，单位时间内，分布在波长附近单位波长间隔内辐射能为波长附近单位波长间隔内辐射能为TfechTeTkhc,

35、12,152实验结果实验结果普朗克理论普朗克理论,Te0普朗克理论与实验结果的比较普朗克理论与实验结果的比较49提出能量量子提出能量量子化的假设，解化的假设，解释了电磁辐射释了电磁辐射的实验规律，的实验规律，获得获得19181918年诺年诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖普朗克（德）普朗克（德）1858194750爱因斯坦康普顿光电效应（爱因斯坦解释）和康普顿效应等无可辩驳的证实了光是一种粒子流，与波动说不一致51（3）光电效应）光电效应18891889年，哈尔瓦克斯发现：光照射在金属板上时，从金属上年，哈尔瓦克斯发现：光照射在金属板上时，从金属上释放电子的现象释放电子的现象, ,称为光电效应。称为光

36、电效应。52 光束射到金属表面使光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现电子从金属中脱出的现象称为象称为光电效应光电效应。光强较强光强较强光强较弱光强较弱频率频率 相同相同饱和光电流饱和光电流饱和光电流饱和光电流 即光即光电子恰被遏止，不能到达电子恰被遏止，不能到达阳极。光电子最大阳极。光电子最大初动能初动能可用遏止电势差与电子电可用遏止电势差与电子电荷乘积的大小来量度。荷乘积的大小来量度。U = - U i = 0a时时 53因而，光的电磁理论无法解释实验事实。因而，光的电磁理论无法解释实验事实。54光子光子-爱因斯坦方程爱因斯坦方程2） 光子观点光子观点1） 波的观点，单光子是一列波波的观点

37、，单光子是一列波n,pE能量能量动量动量质量质量nhEnhchcmcmcp2chcmcm222n光子静止质量为零，电量为零光子静止质量为零，电量为零00m是弥散在空间的物质是弥散在空间的物质 1905年，年，Einstein 把普朗克的能量子观点扩展到辐射场把普朗克的能量子观点扩展到辐射场,建立建立了辐射场的量子化的观点了辐射场的量子化的观点。各种频率的电磁波都是能量为。各种频率的电磁波都是能量为 的光的光“粒子粒子 ”，光子的体系。光子的体系。nh55金金属属表表面面附附近近金属内的电子金属内的电子nh光子光子光电子光电子nh光子光子mV2max21逸出功逸出功A初动能初动能用光子观点解释光

38、电效应用光子观点解释光电效应演示演示 一个电子吸收一个光子，据能量守恒律，有一个电子吸收一个光子，据能量守恒律，有AhVmn2max21 称为爱因斯坦方程，成功解释了光电子的动能与光频率的线性关称为爱因斯坦方程，成功解释了光电子的动能与光频率的线性关系；入射光的光强增加，光子数增加，光电子数增加，光电流增加；系；入射光的光强增加，光子数增加，光电子数增加，光电流增加；电子吸收一个光子瞬时完成。电子吸收一个光子瞬时完成。56频率一定，光强（光子数频率一定，光强（光子数x x光子能量）越大则单位时间光子能量）越大则单位时间打在金属表面的光子数就越多，单位时间被激发而逸出打在金属表面的光子数就越多，

39、单位时间被激发而逸出的光电子数也就越多，故饱和电流与光强成正比。的光电子数也就越多，故饱和电流与光强成正比。每个电子所得能量只与单个光子能量有关，故光电子的每个电子所得能量只与单个光子能量有关，故光电子的初动能与入射光的频率成线性关系，与光强无关。初动能与入射光的频率成线性关系，与光强无关。一个电子同时吸收两个或两个以上光子的概率几乎为零，一个电子同时吸收两个或两个以上光子的概率几乎为零，因此，若金属中电子吸收光子的能量因此，若金属中电子吸收光子的能量 即入射光频率即入射光频率 时，电子不能逸出，不产生光电效应时，电子不能逸出，不产生光电效应。光子与电子发生作用时，光子一次性将能量光子与电子发

40、生作用时，光子一次性将能量 交给电子，交给电子，不需要持续的时间积累，故光电效应瞬时即可产生。不需要持续的时间积累，故光电效应瞬时即可产生。57美国物理学家密立根用了美国物理学家密立根用了十年十年时间从实验上验证了时间从实验上验证了爱因爱因斯坦光电效应方程式斯坦光电效应方程式58He was awarded the 1921 Nobel Prize for the discovery of the law of the photoelectric effect and contributions to mathematical physics. Albert Einstein19051905年

41、年2626岁的岁的Albert EinsteinAlbert Einstein在德在德国国“物理学杂志物理学杂志”发表了三篇文章：发表了三篇文章：1 “1 “论运动物体的电动力学论运动物体的电动力学”提出了提出了狭义相对论（狭义相对论（相对速度早有了相对速度早有了）。）。2 “2 “关于光的发生和转变的一个新观关于光的发生和转变的一个新观点点”。提出光子，解释了光电效应。提出光子，解释了光电效应。3 “3 “从热的分子运动论看静止液体中从热的分子运动论看静止液体中悬浮颗粒的运动悬浮颗粒的运动”。有人认为，每遍文章都可获诺贝尔奖有人认为，每遍文章都可获诺贝尔奖5919261926年年普朗克的能量

42、子普朗克的能量子爱因斯坦光量子爱因斯坦光量子统一命名为统一命名为光子光子康普顿效应进一步证实了爱因斯坦光子假设是正确的。康普顿效应进一步证实了爱因斯坦光子假设是正确的。60伦琴射线的散射实验伦琴射线的散射实验 19231923年，康普顿研究了年，康普顿研究了x x射线经金属、石墨等散射后的光谱成分。射线经金属、石墨等散射后的光谱成分。（4 4）Compton EffectCompton Effect（具有了波粒二相特性）（具有了波粒二相特性）实验装置如下实验装置如下射线源射线源x石墨石墨x射线射线x射线射线x射线射线射线射线x散射光散射光射线射线x射线射线x射线射线x射线射线x散射角散射角61

43、散射光子散射光子n hEnchp0nVmpemcE2电子电子光子光子nhEnchp00nm0电子电子(静止静止)作用前作用前作用后作用后光子与电子作用中，遵守两个守恒定律：动量守恒律和能量守恒律。62 2 2 实验结果表明，实验结果表明，经验公式经验公式2sin22Ao o0241. 0 与入射光波的波长及散射物质无关。与入射光波的波长及散射物质无关。在不同散射角方向上进行测量，实验结果如下：在不同散射角方向上进行测量，实验结果如下： 1 1 沿不同散射角方向测量发现，沿不同散射角方向测量发现， 有与入射光相同和大于有与入射光相同和大于入射光波长的散射光，前者可用波动说解释入射光波长的散射光，

44、前者可用波动说解释（电子在入射光的作用下，（电子在入射光的作用下，发生受迫振动，各方向发出的子波引起的受迫振动频率和散射光频率都应与入射发生受迫振动，各方向发出的子波引起的受迫振动频率和散射光频率都应与入射光频率相同）；光频率相同）；而后者不能，且随散射角不同而不同。而后者不能，且随散射角不同而不同。 450 90强度强度0 经典电磁理论无法解释上述事实。经典电磁理论无法解释上述事实。63 被束缚电子离开表面仅需几个电子伏特（即逸出功）；在射线被束缚电子离开表面仅需几个电子伏特（即逸出功）；在射线光子与电子作用时，可将电子的束缚能略去，视为自由电子，并看光子与电子作用时，可将电子的束缚能略去，

45、视为自由电子，并看做是光子与自由电子的碰撞。另外，电子热运动的能量远小于做是光子与自由电子的碰撞。另外，电子热运动的能量远小于 射线光子的能量，可忽略。射线光子的能量，可忽略。用光子观点解释用光子观点解释 康普顿假设：接受了爱因斯坦的光量子观点，假设进入散射体康普顿假设：接受了爱因斯坦的光量子观点，假设进入散射体的的 射线不是波而是能量为射线不是波而是能量为 的一束光子流。的一束光子流。 射线波长短，约射线波长短，约 0.1埃左右，因而光子能量大，约埃左右，因而光子能量大，约 数量级。数量级。XnhX101043106 . 1101 . 01031063. 61910834nchheV1010

46、43光子与电子的碰撞视为光子与静止电子完全弹性碰撞。碰撞后的电光子与电子的碰撞视为光子与静止电子完全弹性碰撞。碰撞后的电子即反冲电子速度可能很大，因而，要用相对论力学来讨论这一物子即反冲电子速度可能很大，因而，要用相对论力学来讨论这一物理过程。理过程。eVkT103001038. 122364(1) 能量守恒定律能量守恒定律mchcmh2200nn(2)动量守恒定律动量守恒定律矢量图矢量图pppe0p0ppe入射光子的动量入射光子的动量散射光子的动量散射光子的动量xyonncoscos0mVchch分量式分量式nsinsin0mVch联立得联立得nnnncos20222202222hhhcVm

47、把能量守恒式平方再减去上式，得把能量守恒式平方再减去上式，得nnnn0200242022422cos121hcmhcmcVcm65cmh0 与实验相符。结论，与实验相符。结论，康普顿效应确实是光子与电子的作用。康普顿效应确实是光子与电子的作用。又因又因cVmm22012sin220cmh 整理后得整理后得A0243. 0而而 同样，同样，可用光子观点解释散射光中为何还有波长不变的光。可用光子观点解释散射光中为何还有波长不变的光。当当光子与那些与原子联系不太紧密的电子作用时，电子是光子与那些与原子联系不太紧密的电子作用时，电子是“自由的自由的”，如上讨论，光子与原子中的电子交换能量。当光子与那些

48、与原子联如上讨论，光子与原子中的电子交换能量。当光子与那些与原子联系紧密的电子作用时，电子是系紧密的电子作用时，电子是“非自由的非自由的”，光子与整个原子碰撞，光子与整个原子碰撞交换能量，而交换能量，而原子质量远远大于光子，按碰撞理论，光子能量几乎原子质量远远大于光子，按碰撞理论，光子能量几乎不变。不变。原子原子光子光子66A.H. Compton18921962He was awarded the 1927 Nobel Prize for the discovery of the effect named after him康普顿康普顿 （1892-1962）67 光电效应和康普顿效应光电效

49、应和康普顿效应 光电效应和康普顿效应有力的支持了爱因斯坦的光子观点。是光电效应和康普顿效应有力的支持了爱因斯坦的光子观点。是光子与物质的作用。光子与物质的作用。 由式由式 可以看出，由于可以看出，由于 与与入射光波长无关，入射光波长无关，对波长较短的波如对波长较短的波如X X光，康普顿效应明显；而对波长长的光如可见光，康普顿效应明显；而对波长长的光如可见光，不明显。光，不明显。康普顿效应中康普顿效应中，不用可见光。不用可见光。cos1mch点评点评68eVchh106 . 11050001031063. 61910834n可见光的光子能量可见光的光子能量几个几个 与固体对电子的束缚能（几个电子

50、伏特）同级。因此，光子把与固体对电子的束缚能（几个电子伏特）同级。因此，光子把全部的能量给电子，才会使电子逸出固体的表面，被全部的能量给电子，才会使电子逸出固体的表面，被“击出击出”电子电子能量小，速度低，可用经典力学的动能来表示。另外，电子在固体能量小，速度低，可用经典力学的动能来表示。另外，电子在固体内的热运动能约为内的热运动能约为eVkT103001038. 1223在光子与电子作用时，热运动能可不计。在光子与电子作用时，热运动能可不计。因而，可见光主要是光电效应，而不是康普顿效应。因而，可见光主要是光电效应，而不是康普顿效应。69光的波粒二象性光的波粒二象性光的波动说建立以来，光在传播

51、过程中的波动性已为光的波动说建立以来，光在传播过程中的波动性已为大量实验事实所证明；大量实验事实所证明；在发现光的粒子性之后，这些事实并未被推翻。在干在发现光的粒子性之后，这些事实并未被推翻。在干涉、衍射等实验中，光的行为仍然可以确认为电磁波。涉、衍射等实验中，光的行为仍然可以确认为电磁波。这些行为是不能按照具有确定轨道的粒子的性质去理这些行为是不能按照具有确定轨道的粒子的性质去理解的。解的。光在不同条件下分别表现出粒子性和波的行为，而这光在不同条件下分别表现出粒子性和波的行为，而这种情况，是经典物理学所不能包容的。种情况，是经典物理学所不能包容的。然而，光的波粒二象性可以用新的观点把二者统然

52、而，光的波粒二象性可以用新的观点把二者统一起来。一起来。70046波振幅最大处波振幅最大处幕幕n,单色波单色波光的波动观点光的波动观点狭缝狭缝I (1) 波动观点释光强意义波动观点释光强意义 ： ，光强，光强 在幕上的分布与在幕上的分布与波的振幅的平方幕上的空间分布成正比波的振幅的平方幕上的空间分布成正比 。EI20IE20光子光子nhEhp , (2)粒子（光子）观点释光强意义：光强粒子（光子）观点释光强意义：光强 的幕上分布与光子的幕上分布与光子在幕上的密度在幕上的密度 分布（出现多少）成正比分布（出现多少）成正比 。InI n 光子密度最大处光子密度最大处光的量子观点光的量子观点 (3)

53、单个光子独自运动时到达各处的概率正好形成干涉条纹的单个光子独自运动时到达各处的概率正好形成干涉条纹的图样，或者说，光子积累的效果就形成干涉条纹的图样，图样，或者说，光子积累的效果就形成干涉条纹的图样，71 (4)统一两种观点：统一两种观点：光子在某一点附近一定体积内出现的几率光子在某一点附近一定体积内出现的几率 大小与光波振幅的平方大小与光波振幅的平方 成正比。光波是概率波。成正比。光波是概率波。pE20zyxEzyxP,20 (5)电磁波不是经典意义下的波，而是一种具有统计意义的波。电磁波不是经典意义下的波，而是一种具有统计意义的波。光的波动性是大量光子的统计平均行为。光的波动性是大量光子的

54、统计平均行为。这表明每个光子也有波动性质。这表明每个光子也有波动性质。引出并解释：引出并解释：一个光子在某处出现一个光子在某处出现的概率与该处的光强成正比。的概率与该处的光强成正比。72(1)光子是一种基本粒子光子是一种基本粒子自旋量为自旋量为粒子粒子反粒子反粒子(3)正负电子对湮没产生一对光子正负电子对湮没产生一对光子ee(2)光子是场粒子光子是场粒子 量子论把电磁波看作光子，通过电磁作用，带电粒子辐射吸收量子论把电磁波看作光子，通过电磁作用，带电粒子辐射吸收电磁波，也就是放出和吸收光子。电磁波，也就是放出和吸收光子。光子光子光子光子正电子正电子负电子负电子+73当一个高能量的光子经过原子核

55、电场时，光子会自动湮没当一个高能量的光子经过原子核电场时，光子会自动湮没; ;转化为一个电子和一个正电子，即一个电子对。转化为一个电子和一个正电子，即一个电子对。原子核原子核光子光子ee(4)电子对产生电子对产生eehhnn74(5)光子与物质的相互作用光子与物质的相互作用电子电子能能 级级虚虚 能能 级级 多光子过程多光子过程近代理论与实验证明，当光强大于近代理论与实验证明，当光强大于 时多光时多光子吸收过程发生。此时原子或分子吸收几个相同能量的光子，跃迁子吸收过程发生。此时原子或分子吸收几个相同能量的光子，跃迁到高能态，以至被电离，或释放电子。到高能态，以至被电离，或释放电子。mW1010

56、2光电子光电子nhnhnhnh 传统的光电效应的解释是传统的光电效应的解释是一个电子只吸收一个光子一个电子只吸收一个光子，而且有阈，而且有阈值。值。而按多光子吸收和电离看，强光作用下，光电效应无阈值。而按多光子吸收和电离看，强光作用下，光电效应无阈值。对光电效应的新认识：对光电效应的新认识：演示演示75光不仅在发射中，光不仅在发射中，而且在而且在传播过程传播过程中中以及在与物质的以及在与物质的相相互作用互作用中，都可以中，都可以看成看成能量子能量子。爱因。爱因斯坦称之为光量子，斯坦称之为光量子，也就是后来所谓的也就是后来所谓的光子光子(photon)(photon)。光子光子是人类继是人类继电

57、子后认识到电子后认识到的第二个基本的第二个基本粒子，粒子，不带电，不带电，呈中性呈中性。因为。因为电磁场是一种电磁场是一种恒以光速恒以光速c c运动运动的物质，它的的物质，它的静止质量为零静止质量为零。76实物具有微粒结构，电磁场也实物具有微粒结构，电磁场也具有微粒结构，构成电磁场的具有微粒结构，构成电磁场的基本粒子就是光子。基本粒子就是光子。电磁场可以被看做是波动性电磁场可以被看做是波动性和粒子性矛盾的统一体。它和粒子性矛盾的统一体。它是一系列的波，同时又是光是一系列的波，同时又是光子的集合。子的集合。体现其粒子性的能量和动体现其粒子性的能量和动量，与体现其波动性的频量，与体现其波动性的频率

58、和波长不可分割地联系率和波长不可分割地联系在一起。在一起。光本光本性的性的结论结论爱因斯坦的光子爱因斯坦的光子论非牛顿微粒说论非牛顿微粒说的复旧，而是人的复旧，而是人类对于光和电磁类对于光和电磁场这类物质认识场这类物质认识上的一个飞跃。上的一个飞跃。77在反射、折射、干在反射、折射、干涉、衍射、色散等涉、衍射、色散等现象中，波动性往现象中，波动性往往成为主要矛盾方往成为主要矛盾方面，光便表现出像面，光便表现出像波。波。在黑体辐射、光在黑体辐射、光致发光、光电效致发光、光电效应，以及其他一应，以及其他一些有关光的产生些有关光的产生和转化的现象中，和转化的现象中，粒子性往往成为粒子性往往成为主要矛

59、盾方面，主要矛盾方面，光便表现出像粒光便表现出像粒子。子。不同条件下主要矛不同条件下主要矛盾方面会发生转化盾方面会发生转化78光压（光压（辐射压强）辐射压强）实验也证实了光的粒子性实验也证实了光的粒子性 光压探索:1619年，天文学家开普勒猜测，彗星尾巴背向太阳是因存在太阳风(现知是光压); 曾设想不带任何能源，仅靠太阳光能可使宇宙帆船驰骋太空。 牛顿的光微粒说后不久,光波概念普及，光压失去了空间。但是，1873年William Crookes设计了辐射计，认为发现了光压(误，实际是空气分子的压力)。79真正光压实验：1899年列别捷夫的实验，发表在1901光压实验研究；1900年美国E.F.

60、Nichols实验到同样的结论。80cEHpr2cEHpr设真空中电磁波垂直入射到表面：光亮表面光亮表面c单位单位面积面积反射反射g涂黑表面涂黑表面c单位单位面积面积全吸收全吸收g力矩力矩小镜小镜悬丝悬丝 真空真空用光照用光照rprp81光压一般很小，难以观察：如 100W 灯泡在1m 远处的光压 10-5 Pa。光压实验宣布了纯光波动说的完结，成为光量子学说的基础之一。有关光压的自然现象有关光压的自然现象： 恒星光压与引力相平衡，使恒星保恒星光压与引力相平衡，使恒星保持一定的体积；持一定的体积； 在太阳辐射压的作用下，彗星的彗在太阳辐射压的作用下，彗星的彗尾总是向背离阳光的方向伸展。尾总是向