文科物理永恒经典光本性

1、文科物理永恒经典光本性2一、粒子运动的描述一、粒子运动的描述1. 1. 运动的绝对性运动的绝对性 所有物体都是由微观的粒子组成的（如原所有物体都是由微观的粒子组成的（如原子、分子），而微观的粒子都在做永不停息的子、分子），而微观的粒子都在做永不停息的热运动。世界上一切物质都是处于永恒的运动热运动。世界上一切物质都是处于永恒的运动状态之中。状态之中。 3一、粒子运动的描述一、粒子运动的描述如图如图2.5.1 宏观粒子在宏观粒子在空间的位置及运动轨迹空间的位置及运动轨迹粒子具有一定的质量粒子具有一定的质量 ，用速度，用速度描述粒子运动的快慢和方向。粒描述粒子运动的快慢和方向。粒子运动时具有动能、动

2、量。如图子运动时具有动能、动量。如图2.5.12.5.1所示。粒子所示。粒子N N在空间的位置在空间的位置坐标为坐标为 ， 为粒子在空间的为粒子在空间的位置矢量。而后粒子沿曲线运动，位置矢量。而后粒子沿曲线运动，在在M M点时的速度为点时的速度为 ，具有动，具有动量量 ，动能，动能 ，其中：，其中：mv),(zyxrkEprxiyjzk2.2.粒子运动的描述粒子运动的描述4一、粒子运动的描述一、粒子运动的描述ddrtvpmv2k12Emv5二、波动现象二、波动现象1 1、波动的描述、波动的描述波是由于物体围绕各自平衡位置来回运动所形成的。波是由于物体围绕各自平衡位置来回运动所形成的。如果将软绳

3、的一端固定，然后持续抖动绳子的另一如果将软绳的一端固定，然后持续抖动绳子的另一端，我们将看到图所示的现象。好像有某种东西沿端，我们将看到图所示的现象。好像有某种东西沿绳前进，这种东西就是波。绳前进，这种东西就是波。 波的传播方向图 持续抖动绳子的一端产生一个沿绳子传播的连续波6对波的描述有其特有的物理量，如波长、频率、振幅对波的描述有其特有的物理量，如波长、频率、振幅、波速等，如图所示。、波速等，如图所示。 图2.5.5 波长、振幅、波速的意义波速v二、波动现象二、波动现象7v一个连续而重复的波的波长是沿着波从任一点到一个连续而重复的波的波长是沿着波从任一点到下一个同相点的距离。波的频率是介质

4、中任意个下一个同相点的距离。波的频率是介质中任意个体每秒钟内完成的振动次数。波通常由某种振动体每秒钟内完成的振动次数。波通常由某种振动的波源发出，这时波的频率必定与波源的频率相的波源发出，这时波的频率必定与波源的频率相同。也即波的频率由波源振动的频率决定。波的同。也即波的频率由波源振动的频率决定。波的振幅是指它的最大高度或深度。波速是指波形在振幅是指它的最大高度或深度。波速是指波形在介质中的传播速度。一列波的波长介质中的传播速度。一列波的波长 、波速、波速 和和频率频率 之间的关系为：之间的关系为：v二、波动现象二、波动现象82.2.波特有的现象波特有的现象 二、波动现象二、波动现象（1 1）

5、 波的衍射波的衍射波绕过障碍物进入其几何阴影继续传播的现象波绕过障碍物进入其几何阴影继续传播的现象叫做波的衍射。叫做波的衍射。 9（2 2） 波的干涉波的干涉二、波动现象二、波动现象两列波相遇时表现出有的地方振动加强，有的地两列波相遇时表现出有的地方振动加强，有的地方振动减弱的现象叫做波的干涉。方振动减弱的现象叫做波的干涉。 空旷的操场上放置两个空旷的操场上放置两个同步播放的扬声器，当同步播放的扬声器，当我们移动时可以听到忽我们移动时可以听到忽强忽弱的声音。强忽弱的声音。 10如果在空旷的操场上放置两个独立播放的扬声器如果在空旷的操场上放置两个独立播放的扬声器，我们移动时为什么很难听到忽强忽弱

6、的声音的，我们移动时为什么很难听到忽强忽弱的声音的? ? 二、波动现象二、波动现象波的相干条件：（波的相干条件：（1 1）频率相同；）频率相同； （2 2）振动方向平行；）振动方向平行； （3 3）相位相同或相位差恒定。）相位相同或相位差恒定。11三、光的波动说与微粒说三、光的波动说与微粒说粒子性和波动性是物质存在的两种不同的表现形式。粒子性和波动性是物质存在的两种不同的表现形式。光如果是粒子，就应该具有粒子的属性光如果是粒子，就应该具有粒子的属性!而光如果是波，那么也应该具有波的属性而光如果是波，那么也应该具有波的属性! !！ 光是粒子还是波呢？这是光的本性问题。光是粒子还是波呢？这是光的本

7、性问题。 12三、光的波动说与微粒说三、光的波动说与微粒说对关于光的本性问题的研究，形成了两种相互对立的理对关于光的本性问题的研究，形成了两种相互对立的理论论 ，即光的微粒说和光的波动说。，即光的微粒说和光的波动说。 1 1、以英国物理学家牛顿为代表的微粒说认为：光、以英国物理学家牛顿为代表的微粒说认为：光是由微粒组成的粒子流，是发光体接连不断地向是由微粒组成的粒子流，是发光体接连不断地向周围空间射出的一群微小粒子流，并且它们走的周围空间射出的一群微小粒子流，并且它们走的是最快的直线运动路径。是最快的直线运动路径。 用光的微粒说可解释光的反射和折射现象，用光的微粒说可解释光的反射和折射现象，

8、但但无法解释光的衍射现象。无法解释光的衍射现象。13三、光的波动说与微粒说三、光的波动说与微粒说2、以荷兰物理学家惠更斯为代表的波动说认为：、以荷兰物理学家惠更斯为代表的波动说认为：光是一种波；光波是一种靠物质载体（以太）来光是一种波；光波是一种靠物质载体（以太）来传播的纵波；波面上的各点本身就是引起媒质振传播的纵波；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。动的波源。 光的波动理论也能解释光的反射定律和折射定律光的波动理论也能解释光的反射定律和折射定律，同时也能较好的解释光的衍射和双折射现象。，同时也能较好的解释光的衍射和双折射现象。 但是，在用波动理论解释折射现象时，必须假定但是，在用波动理

9、论解释折射现象时，必须假定光在水中的传播速度小于光在空气中的传播速度光在水中的传播速度小于光在空气中的传播速度，这与牛顿微粒说的结论正好相反。，这与牛顿微粒说的结论正好相反。 14三、光的波动说与微粒说三、光的波动说与微粒说显然，如果能测出光在介质中传播的速度，就可显然，如果能测出光在介质中传播的速度，就可以判断波动说与微粒说熟是熟非了，可惜当时没以判断波动说与微粒说熟是熟非了，可惜当时没有实验能够进行判断。有实验能够进行判断。图2.5.8 光的反射ii 空气ii反射光线入射光线反射面平面镜反射光线入射光线i折射光线界面空气)(1n)(2n水图2.5.9 光的折射15波动说与微粒说的争论还在继

10、续，要说服谁都必波动说与微粒说的争论还在继续，要说服谁都必须有可靠的实验证据。须有可靠的实验证据。三、光的波动说与微粒说三、光的波动说与微粒说克里斯蒂安克里斯蒂安 惠更斯惠更斯 艾萨克艾萨克牛顿牛顿 16四、光的波动特性四、光的波动特性1 1、光的干涉（、光的干涉（光的杨氏双缝干涉实验光的杨氏双缝干涉实验) 17四、光的波动特性四、光的波动特性1 1、光的干涉（、光的干涉（光的杨氏双缝干涉实验光的杨氏双缝干涉实验) 1801年，英国物理学家托马年，英国物理学家托马斯斯杨找到获得相干光源的方杨找到获得相干光源的方法：把从同一批原子发射出法：把从同一批原子发射出来（初位相相同）的光人为来（初位相相

11、同）的光人为地分为两列，让它们经过不地分为两列，让它们经过不同的路径后再在屏幕上相遇。同的路径后再在屏幕上相遇。各原子的发光尽管随机改变，各原子的发光尽管随机改变，但任何初位相改变总是同时但任何初位相改变总是同时发生在两列波中，在观察点发生在两列波中，在观察点相位差只与路径有关。相位差只与路径有关。18I I t t I I 叠加后叠加后 t t I I t t 由于它们的频率相同，振动方向相同，且具有固定的位相差由于它们的频率相同，振动方向相同，且具有固定的位相差 =0=0，因此，叠加后光强加强。，因此，叠加后光强加强。 四、光的波动特性四、光的波动特性19四、光的波动特性四、光的波动特性2

12、0四、光的波动特性四、光的波动特性白光的薄膜干涉图样白光的薄膜干涉图样212 2、光的衍射、光的衍射四、光的波动特性四、光的波动特性（1 1）圆孔衍射）圆孔衍射 PH*S22(2)(2)直边衍射（刀刃衍射）直边衍射（刀刃衍射） 23(2)(2)圆屏衍射（泊松亮斑）圆屏衍射（泊松亮斑） 24泊松亮点泊松亮点: :1818年年,巴黎科学院举行巴黎科学院举行了一次解释衍射的有奖竞赛了一次解释衍射的有奖竞赛, 评委中评委中许多著名科学家许多著名科学家,如毕奥如毕奥,拉普拉斯拉普拉斯,泊泊松等松等,都是光的微粒学说的忠实拥护都是光的微粒学说的忠实拥护者。年轻的工程师菲涅耳报告了者。年轻的工程师菲涅耳报告

13、了“应用子波叠加原理解释衍射现象应用子波叠加原理解释衍射现象”的论文。会后，泊松仔细审阅了菲的论文。会后，泊松仔细审阅了菲涅耳的论文，导出了涅耳的论文，导出了“园屏衍射中园屏衍射中心会出现一个亮点心会出现一个亮点”这一看似离奇这一看似离奇的结论，使菲涅耳原理又面临新的的结论，使菲涅耳原理又面临新的考验。不久，阿喇果在实验中果然考验。不久，阿喇果在实验中果然观察到了这一惊人现象（又称为阿观察到了这一惊人现象（又称为阿喇果亮斑）。这一发现对光的波动喇果亮斑）。这一发现对光的波动学说提供了有力的支持。学说提供了有力的支持。法国物理学家菲涅尔法国物理学家菲涅尔25五、光的电磁理论五、光的电磁理论麦克斯

14、韦指出，电磁扰动（电磁波）的传播与光传麦克斯韦指出，电磁扰动（电磁波）的传播与光传播相似，光是按电磁规律传播的电磁扰动，光就是播相似，光是按电磁规律传播的电磁扰动，光就是一种电磁波。后来，赫兹用实验证实了电磁波的存一种电磁波。后来，赫兹用实验证实了电磁波的存在。光的电磁理论成功地解释了光波的性质。实验在。光的电磁理论成功地解释了光波的性质。实验证明，红外线、紫外线、证明，红外线、紫外线、X X射线、射线、射线都是电磁射线都是电磁波。波。 26 1. 1.1 1 单色辐射出射度单色辐射出射度 单位时间内从物体单位面积单位时间内从物体单位面积发出的波长在发出的波长在 附近单位波长区间的电磁波的能量

15、附近单位波长区间的电磁波的能量 . .单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：)(TM3W/m 定量研究热辐射的有关物理量定量研究热辐射的有关物理量 1.2 1.2 辐射出射度（辐出度）单位时间，单位面积上辐射出射度（辐出度）单位时间，单位面积上所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和. .0d)()(TMTM六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性1. 黑体辐射黑体辐射271.3 1.3 斯特藩斯特藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律40d)()(TTMTM428KmW10670. 5斯特藩斯特藩- -玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数1.4 维恩位移定律维恩位移定律bT m

16、Km10898. 23b常数常数峰值波长峰值波长0 1000 20001.00.5 )mW10/()(314TMnm/可见光区可见光区30003000K K60006000K Km黑体单色辐出度实验曲线黑体单色辐出度实验曲线28可可见见光光Hz10/1572( )/ (10W/(mHz)MT6000K3000K0.5 1.00.51.0黑体单色辐出度实验曲线黑体单色辐出度实验曲线cdd2cd)(d)(TMTMcTMTM2)()( 和和 关系关系)(TM)(TM2992( )/ (10W/(mHz)MT0 1 2 3 6Hz10/14123 45瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式实验曲线实验曲线

17、2000KT *1.5 黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难kTcTM222)(瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难302 2 普朗克假设普朗克假设 普朗克黑体辐射公式（普朗克黑体辐射公式（1900 1900 年）年）sJ106260755. 634h普朗克常量普朗克常量 能量子能量子0h 普朗克假设：金属空腔壁中电子的振动可视为一普朗克假设：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量是量子化的维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量是量子化的（不连续）（不连续）. .h1h2h3h4h5h61ed2d)(/32kThch

18、TM普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式), 3 , 2 , 1(nnh 带电谐振子吸收或发射能量为带电谐振子吸收或发射能量为 310 1 2 3 6Hz10/1492( ) / (10W/(mHz)MT瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式123 45k2000T普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*32 普朗克（普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858 1947） 德国理论物理德国理论物理学家，量子论的奠基人学家，量子论的奠基人.1900年年12月月14日他宣读了以关于正常光谱日他宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论中能量分布定律的

19、理论为题的论文，提出能量量子化的假设，并导文，提出能量量子化的假设，并导出黑体辐射能量分布公式出黑体辐射能量分布公式. 劳厄称劳厄称这一天是这一天是 “量子论的诞生日量子论的诞生日”. 1905年爱因斯坦在能量量子化的启发下提出了光年爱因斯坦在能量量子化的启发下提出了光量子的假设量子的假设, 并成功解释了光电效应并成功解释了光电效应.333 3、光电效应、光电效应六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性金金属属板板18871887年赫兹在证实电磁波的存在年赫兹在证实电磁波的存在和光的麦克斯韦电磁理论的实验和光的麦克斯韦电磁理论的实验过程中，首次发现光电效应现象：过程中，首次发现光电效应现象：当波长

20、较短的可见光或紫外光照当波长较短的可见光或紫外光照射到某些金属表面上时，金属中射到某些金属表面上时，金属中的电子就会从光中吸取能量而从的电子就会从光中吸取能量而从金属表面逸出。金属表面逸出。34用光的波动理论来解释光电效应遇到了很大的困难。用光的波动理论来解释光电效应遇到了很大的困难。 19051905年爱因斯坦提出了光量子的假说，他认为光是年爱因斯坦提出了光量子的假说，他认为光是由具有能量的大量光子组成，每个光子的能量只与由具有能量的大量光子组成，每个光子的能量只与光的频率有关，即光的频率有关，即 。当然光子（微粒）已。当然光子（微粒）已经不是牛顿所描绘的粒子。光子仍然保持着它的频经不是牛顿

21、所描绘的粒子。光子仍然保持着它的频率或波长的概念。率或波长的概念。 六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性Eh35其中其中 是光量子能量，是光量子能量， 是使电子从金属表面是使电子从金属表面逸出所须提供给它的最小能量，逸出所须提供给它的最小能量， 是在频率是在频率为为 的光的照射下逸出的光电子的动能的最大的光的照射下逸出的光电子的动能的最大值。值。 爱因斯坦的光量子理论，成功地解释了光电效应爱因斯坦的光量子理论，成功地解释了光电效应的规律，并导出了著名的的规律，并导出了著名的“爱因斯坦公式爱因斯坦公式”: :Amh221v212m v六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性hA364 4、康普顿效应

22、、康普顿效应六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性1923年时任美国华盛顿大学校长的年时任美国华盛顿大学校长的物理学家康普顿从物理学家康普顿从X光的散射实验中光的散射实验中观察到了康普顿效应观察到了康普顿效应即即X射线的射线的波长增大的现象。康普顿接受了爱波长增大的现象。康普顿接受了爱因斯坦的观点，认为因斯坦的观点，认为X射线的光子好射线的光子好比一个个小刚球，每一个不但有能比一个个小刚球，每一个不但有能量，而且具有动量。光子和自由电量，而且具有动量。光子和自由电子弹性碰撞时，能量守恒，动量守子弹性碰撞时，能量守恒，动量守恒。由此得到散射光波长改变为恒。由此得到散射光波长改变为： )cos1 (

23、mch37康普顿的散射实验与爱因斯坦的光量子理论相吻康普顿的散射实验与爱因斯坦的光量子理论相吻合。更加有力地证实了光的粒子性。合。更加有力地证实了光的粒子性。 六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性康普顿康普顿 爱因斯坦爱因斯坦 普朗克普朗克 385 5、光的波粒二象性、光的波粒二象性1919世纪后半叶形成了以麦克斯韦、赫兹等人为世纪后半叶形成了以麦克斯韦、赫兹等人为代表的光的电磁理论说，以爱因斯坦、普朗克代表的光的电磁理论说，以爱因斯坦、普朗克等人为代表的光量子论说，这两大学派各自统等人为代表的光量子论说，这两大学派各自统治着自己的理论领域。光的波动理论不能解释治着自己的理论领域。光的波动理论不能解释光电效应、热辐射及光压等光的粒子行为。而光电效应、热辐射及光压等光的粒子行为。而光的量子观点亦无法说明光的干涉、衍射及偏光的量子观点亦无法说明光的干涉、衍射及偏振等光的波动现象。关于光的本质究竟是什么？振等光的波动现象。关于光的本质究竟是什么？两大学说处在相互对立的矛盾之中，谁也无法两大学说处在相互对立的矛盾之中，谁也无法将它统一起来。将