(1.11)-讲稿10-光学（3）物理史话

讲稿讲授内容备注第4页共4页引题：上一节学习波动光学的学建立基础，介绍了托马斯杨和菲涅尔等科学家建立波动光学的艰辛历程，今天我们继续学习光学两个重要分支--量子光学和近代光学的发展历程与、量子光学时期1.概述：时间：19世纪末～20世纪60年代特点：对光的研究由宏观进入微观的时代成就：揭示了光的本质，提出量子化思想代表人物：普朗克—辐射量子论爱因斯坦—光量子理论德布罗意—物质波学说2.黑体辐射来源：1859年基尔霍夫物体热辐射的发射本领e(v,T)和吸收本领a(v,T)的比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的辐射度实验规律：黑体辐射的能量按波长的分布理论解释：维恩（德国人，1864--1928）公式在短波区和实验结果相符，长波区偏差太大瑞利（英国人，1842--1919）—金斯（英国人，1877—1946）公式：在长波区和实验结果，短波区出现“紫外灾难”附：瑞利（1842～1919）Rayleigh，Baron英国物理学家。原名J.W.斯特拉特1842年11月12日生于埃塞克斯的威特姆1863年20岁入剑桥大学三一学院学习1866年（3年）后以优异成绩毕业1868年（毕业后第二年）被选为三一学院研究员1873年被选为英国皇家学会会员1879～1884年任卡文迪什实验室主任1885～1896年任皇家学会秘书1905～1908年任会长，1908年起任剑桥大学校长1919年6月30日去世他在理论和实验方面都有杰出才能，研究工作几乎遍及当时经典物理学的各个领域。他有不少著作，论文达400多篇。1877～1878年《声学原理》两卷，为近代声学奠定了基础他对“天空为什么呈蓝色”作了理论解释，导出了分子散射公式他进行了光栅分辨率和衍射的实验研究，第一个对光学仪器的分辨率给出明确的定义，对光谱学的研究起了重要作用1895年发现从液态空气中分馏出来的氮，与从亚硝酸铵中分离出来的氮，有极小的密度差异。这一事实导致空气中的一个稀有元素——氩的发现，因而获得1904年诺贝尔物理学奖。他在1900年得出一个关于热辐射的公式（瑞利-金斯公式，见黑体辐射），在长波区域，同实验符合得很好，为量子论的出现准备了条件普朗克公式：在1900年，普朗克（德国人，1858—1947）大胆地提出了能量子假说，认为各种频率的电磁波只能从一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，它的值是光的频率和普朗克常数的乘积的整数倍，它和实验结果完全符合。不仅如此，量子论还以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。它不但给光学而且给整个物理学提供了新的概念，因此，它的诞生被看作近代物理学的起点。普朗克：马克斯·普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858.4-1947.10）德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人1858年4月23日生于基尔。1867年随父（慕尼黑大学的民法学教授）迁往慕尼黑。1874年入慕尼黑大学。1877～1878年间去柏林大学听亥姆霍兹和基尔霍夫的讲课。自学了R.克劳修斯的《力学的热理论》，立志去寻找具有普遍性的规律1879年在慕尼黑大学得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。1888年柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人和理论物理学研究所主任1900年，他在黑体辐射研究中引入能量量子1918年获得诺贝尔物理学奖。1918年被选为英国皇家学会会员1926年被推举为英国皇家学会的最高级名誉会员，选为美国物理学会的名誉会长。1930～1937年他担任威廉皇帝协会会长。1947年10月3日在哥廷根病逝，终年89岁。德国政府为了纪念这位伟大的物理学家，把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。3.光电效应（1）光电效应的发现1887年赫兹（HeinrichHertz）在研究电磁场的波动性时偶然发现的。赫兹用两套放电电极，一套产生振荡，发出电磁波；另一套充当接收器。为了便于观察，赫兹偶然把接收器用暗箱罩上，结果发现接受电极间的火花变短了。赫兹工作非常认真，用各种材料放在两套电极之间，证明这种作用既非电磁的屏蔽作用，也不是可见光的照射，而是紫外线的作用。当紫外线照在负电极上时，效果最为明显，说明负电极更易于放电。赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起了广泛反响。（2）揭示光电效应的机制1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（WilhelmHallwachs），意大利的里奇（AugustoRighi）和俄国的斯托列托夫几乎同时作了新的研究。斯托列托夫在金属极板C前几毫米远处，安放一金属网，极板C与金属网分别接于电池B的两端，使C带负电。用检流计G测量电流，弧光从A照向极板C，检流计指示有电流将电池极性对换，使C极电位为正，则检流计不指示电流。（3）勒纳德的新发现勒纳德为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，在电极间加反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值（即遏止电压）V，可以推算电子逸出金属表面的最大速度。勒纳德用不同材料做阴极，用不同光源照射，发现都对遏止电压有影响，唯独改变光的强度对遏止电压没有影响。电子逸出金属表面的最大速度与光强无关这个结论与经典理论是矛盾的。根据经典理论，电子接受光的能量获得动能，应该是光越强，能量也越大，电子的速度也就越快。除此之外还有如下矛盾光的频率低于某一临界值时，不论光有多强，也不会产生光电流。光照到金属表面，光电流立即就会产生附：勒纳德在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，所以光只起打开闸门的作用，闸门一旦打开，电子就以其自身的速度从原子内部逸走。他认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。勒纳德的触发假说很容易被人们接受，当时颇有影响。

1905年勒纳德因阴极射线的研究获得了诺贝尔物理奖（4）爱因斯坦的光量子理论1905年发表了题为《关于光的产生和转换的一个启发性观点》爱因斯坦从普朗克能量子假说中受到了启发。他在论文指出：“运用连续三维函数的光的波动理论极其圆满地解释了各种纯光学现象”。“可是我们应当记住，光学观测所得出的是对时间的平均值，而不是瞬时值”。“当运用三维函数的光的理论到光的产生和转化等现象时，它势必导致与经验相矛盾。因此他明确提出光量子概念：光波是由一个个光量子组成的，每个光量子不仅具有能量ε，也有动量p，并满足关系：ε＝hν这就是爱因斯坦光量子理论。1926年，刘易斯（1875－1946）将光量子命名为“光子”按照光量子理论，当光照射到金属表面时，光的能量被金属中的电子吸收。电子从全属表面逸出，一部分能量用来克服表面逸出功W，另一部分则成为电子动能。由能量守恒得到爱因斯坦光电效应方程。由此，爱因斯坦成功地解释了光电效应。并主要因此获得1921年诺贝尔物理奖。美国物理学家密立根（公元1868－1953）化了十年时间企图从实验否定这一理论，但总是得出相反的结果他于1915年宣布，他在实验中证实了由光量子理论得到的h值和普朗克公式中的h值完全一致，从而证实了爱因斯坦光电效应公式。1923年，康普顿（公元1892—1962）用光量子理论解释了X射线被金属散射的散射光谱。又一次证明了光量子理论的正确性。爱因斯坦的光量子理论不仅解释了光电效应，其更重要的意义在于揭示了光具有波粒二象性。使人们对光的本性有了更深刻的认识，并对物质世界的认识产生了深远的影响。4.波粒二象性（1）爱因斯坦的贡献1905年的光量子假说隐含了光的波粒二象性的思想1909年再次撰文讨论辐射问题，预见到了将有一种新的理论使波动性和微粒性熔合于一体1919在《关于辐射的量子理论》提出受激辐射，为激光的发展奠定了理论基础。（2）X射线本性之争伦琴认为X射线可能是以太中的某种纵波斯托克斯认为X射线可能是横向的以太脉冲J.J.汤姆生也认为是一种脉冲波1899年哈加(Haga)和温德(Wind)测出三角形微弱的衍射图象1912年劳厄发现X射线衍射，对波动说提供了最有力的证据5.康普顿效应1904年，英国物理学家伊夫(A.S.Eve)首先发现了康普顿效应的迹象1910英国的弗罗兰斯(D.C.H.Florance)证明散射后的二次射线决定于散射角度，与散射物的材料无关，而且散射角越大，吸收系数也越大1913年，麦克基尔大学的格雷（J.A.Gray）又重做γ射线实验，证实了弗罗兰斯的结论并进一步精确测量了射线强度1919年康普顿:测定了γ射线的波长，确定了散射后波长变长康普顿自制的X射线分光计用钼的Kα线经石墨晶体散射后，用游离室测量不同方位的散射强度理论解释：（1）最初的解释：J.J汤姆孙电子散射——荧光辐射——碰撞（2）1923年5月的《物理评论》A.H.康普顿以《X射线受轻元素散射的量子理论》成功解释（3）德拜也发表了早已准备好的论文（4）杜安的反对（5）吴有训的贡献：吴有训对康普顿效应的进一步研究和检验有很大贡献，除了针对杜安的否定作了许多有说服力的实验外，还证实了康普顿效应的普遍性（6）爱因斯坦贡献：多次宣传支持康普顿的量子解释吴有训:1897年4月2日出生，江西高安人。物理学家。1920年毕业于南京高等师范学校。1926年获美国芝加哥大学物理学博士学位。1948年选聘为中央研究院院士。中国科学院研究员、副院长，中国物理学会理事长。主要从事近代物理学特别是X射线散射光谱方面的研究工作，是中国开展近代物理学实验研究的先驱者之一。20年代在康普顿的X射线散射研究中进行了多项实验，为康普顿效应的进一步确立和公认作出了部分重要工作。1955年选聘为中国科学院院士（学部委员）。1977年11月30日于北京去世。康普顿最初发表的论文只涉及一种散射物质（石墨），为了证明这一效应的普遍性，吴有训在康普顿的指导下，做了７种物质的Ｘ射线散射曲线，证明只要散射角相同，不同物质散射的效果都一样。1925年吴有训以《康普顿效应》的论文获得博士学位。三、现代光学时期1．激光理论的建立过程（1）爱因斯坦提出受激辐射概念1916年爱因斯坦首先提出了受激辐射的概念在德文《物理学年鉴》发表《辐射的量子理论》上论述了辐射的两种形式：自发辐射和受激辐射光子与分子间的两种相互作用：能量交换和动量交换但没有想到利用受激辐射来实现光的放大。（2）负色散的研究1900年特鲁德（P.Drude）由电磁理论建立色散理论1926—1930年拉登堡做了一系列实验，研究氖的色散，发现当电流超过100毫安色散系数开始下降1940年苏联物理学家在做博士论文时注意到了负吸收（3）磁共振的研究1946年瑞世布洛赫（F.Bloch）（1952年与珀赛尔（E.M.Purcell）共获诺贝尔物理奖）在斯坦福大学研究核磁感应观察到了粒子数反转的信号1947年兰姆（W.E.Lamb,jr.）和雷瑟福（R.C.Retherford）提出通过粒子数反转可以实现感应辐射（即受激辐射）。1948年珀赛尔有意识地研究了磁场中各子能级的集居数。1951年他和合作者第一次在实验中实现了粒子数反转，观察到了负吸收。1949年，法国物理学家卡斯特勒（A.Kastler）发展了光泵方法，为此他获得了1971年诺贝尔物理奖。所谓光泵，实际上就是利用光辐射改变原子能级集居数的一种方法。他原来的目的是要建立一种用光探测磁共振的精密测量方法，没有想到可以实现粒子数反转，更没有想通过这一途径进行光的放大。2.激光器的发明（1）微波激射器的发明汤斯在二次大战期间在贝尔实验室从事雷达工作，实验室安排他为美国空军研制频率为24GHz的雷达，他观察的这一频率的辐射极易被大气中的水蒸汽吸收，因此这样高的频率对雷达是不适宜的结果仪器做出来了，军事上毫无价值，却成了汤斯手中极为有利的实验装置，达到当时从未有过的高频率和高分辨率。1951年春天在华盛顿参加一个毫米波会议时与肖洛（A.L.Schawlow）同住一个房间。清晨在公园旁的长凳上坐下，思考是什么原因没有制成（毫米波发生器），几分钟内我就草拟好了方案，并计算出下列过程的条件返回哥伦比亚，召集博士后齐格尔（H.J.Zeiger）（他离开后中国学生王天接替）和博士生戈登（J.P.Gordon）等按他的新方案工作，选择氨分子作为激活介质，历经两年的试验，花费了近3万美元。1953年研制出第一台微波激射器（“微波激射放大器”）（2）激光的设想汤斯和肖洛1958年12月在《物理评论》发表激光器的详细方案，汤斯因此于1964年获诺贝尔物理奖。肖洛开始研究把红宝石当作工作介质的激光器。他对固体器件很有信心，认为：“在气体中所作到的任何事情，在固体中都能做得更好。”但是他在工作中犯了一个错误，误以为红宝石的R线（即6934Å与6929Å）不适于产生激光*查尔斯·哈德·汤斯，美国物理学家1915年7月28日生于南卡罗来纳州格林维尔父亲是律师1935年以人成等成绩毕业于故乡的福曼大学在杜克大学获得硕士学位1939年在加利福尼亚理工学院获得博士学位。1939年进入贝实验室从事雷达投弹系统的设计1948年进入哥伦亚大学物理系。1950年起在那里就任正教授。1953年12月制成了“受激辐射微波放大”1964年获诺贝尔物理学奖激光之父——阿瑟·肖洛1921年5月5日出生在美国纽约州的弗农山1924年全家迁往加拿大，在多伦多念完小学和中学1937年进入多伦多大学学物理凭着奖学金读完了大学课程1941年毕业，1945年重返多伦多大学读研究生1949年肖洛获博士学位1955年与汤斯合著《微波光谱学》1958年与汤斯合写了一篇关于激光的论文，刊登在美国《物理评论》1976年他创立的高分辨激光光谱学1978年肖洛的研究小组用他发明的偏振光谱法测出了里德堡常数。1981年12月10日获诺贝尔物理奖（3）梅曼发现了激光器1960年33岁的梅曼是美国休斯（Hughes）研究实验室的负责人，做微波激射器的研究工作，并发现了红宝石微波激射器。（以他多年的经验预感到红宝石作为激光器的可能性，具有能级结构比较简单，机械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却等优点。但是，当时他从文献上知道红宝石的量子效率很低，例如：外德尔（I.Weider）在1959年曾报导过，量子荧光效率也许仅为1%没有实用价值，梅曼寻找其他材料和类似的材料来代替它，测量得其荧光效率竟是75%，决定用红宝石做激光元件）西奥多·哈罗德·梅曼（TheodoreHarold"Ted"Maiman）1927年7月11日生于加州洛杉矶，是一个电气工程师的儿子。1949年从科罗拉多大学硕士毕业后，梅曼来到斯坦福大学攻读博士研究生1951年他又获得了斯坦福大学的电子工程学硕士学位1955年获得博士学位他的导师拉姆获1955年诺贝尔物理学奖1955年后在同一所学校进修至哲学博士1960年5月16日，梅曼利用这台设备产生出了脉冲相干光1960年7月7日在曼哈顿的新闻发布会上当众运行了这一设备1962年离开休斯公司成立了Korad公司并担任董事会主席，开发更多的激光设备1968年公司被联合碳化物（UnionCarbide）公司收购之后，他又成立了梅曼伙伴公司（MaimanAssociates），提供激光方面的顾问服务1972年他以副总裁的身份成立了一家名为激光录像的公司。1976年，他受聘于TRW电子公司，担任副总裁一职2007年5月5日，梅曼因肥大细胞增生病逝世于温哥华激光发展过程1917年爱因斯坦提出“受激发射”理论1953年美国物理学家CharlesTownes发明微波受激发射放大（maser）1957年Townes的博士生GordonGould创造了“laser”这个单词1960年美国加州休斯实验室的Maiman实现了第一束激光1961年激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。1962年发明半导体二极管激光器1969年激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗１１号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内1971年激光用于舞台光影效果，以及激光全息摄像英国籍匈牙利裔物理学家DennisGabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖1974年第一个超市条形码扫描器出现1975年IBM投放第一台商用激光打印机1978年飞