大学文科物理 第四章 光的本性是什么课件.pdf

第四章 光的本性是什么?这50年的沉思，并没有使我更接近于什么是光量子“光 子”这个问题的解决。爱因斯坦1955年临终前不久的话人类对光学的研究早在两三千年前就初见端倪。墨经中的光学在墨经中还记载了丰富的几何光学知识。墨子 在当时就已知道光是沿直线传播的。墨子和他的学生做 了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果做出 了精辟的见解。在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋 里相对的墙上就会出现一个倒立的人 影。为什么会这样呢？墨经中写道：“景光之人煦若射，下者之人也高，高者之入也 下。”这句话的意思是：因为光线像射箭一样，是直线行 进的。人体下部挡住直射过来的光线，射过小孔，成影 在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成 影在下边，就成倒立的影。这是对光沿直线传播的第一 次科学解释。墨经中还利用光的直线传播原理解释了物体和 投影的关系。墨家认为，光被遮挡就产生投影，物体的投影并不 会跟随物体一起移动。飞翔的鸟儿，它的影子仿佛也在 飞动着。实际上并不然。墨家指出飞鸟遮住了直线前进的光线，形成了影 子。一瞬间后，飞鸟移动了位置，原来光线照不到的地 方，现在照到了，旧影就消失了，而在新的地方，出现 了新的影子。这就是说，鸟在飞翔中，它的影子并不跟 着移动，而是新旧投影不断更新。在两千多年前，能这 样深入细致的研究光的性质，解释影的动和不动的关 系，是非常不容易的。古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就 有相当成就。在我国较为系统的论著可见北宋时期沈括 的梦溪笔谈。光学学科的形成是从17世纪开始的。宋阳燧镜。宽为 9cm,带柄长17cm。阳 燧面直径为6.lcm,边 缘菱花形内有凤鸟纹。现仍然保留有部分银白 光层，仍可以起到聚光 作用。春秋虎鸟阳燧，现藏于 中国历史博物馆。本章主要围绕对光的本性的认识展开。首先介绍牛 顿在光学上的贡献和他的微粒说，包括牛顿的研究方 法。重点放在对光的波动说和光的波粒二象性的介绍。同时介绍一些常见的，有关波传播的物理效应以及光学 的一个突破性进展激光的发明及其应用。4.1 光的微粒说一、牛顿对光的色散的研究早在剑桥大学高年级时，通过三棱镜实验研究太阳 光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。牛顿的色散实验为 光谱学的研究和发展开辟了 道路，被美国物理学世界 评为历史上“最美丽的十大物 理实验”之一。牛顿发明反射望远镜牛顿在光学一书中强调了自己从实验观察出 发，进行归纳综合的研究方法，他说：“在自然科学里，应该像数学里一样，在研究困难的 事物时总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方 法。这样的分析方法包括做实验和观察，用归纳法得出 普遍结论，并且不使这些结论遭到非议，除非这些异议 来自实验或者其他可靠的真理。”二、牛顿的微粒说牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它 们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感 觉不到相继两个之间的时间间隔。解释光的反射微粒说4无法解释干涉，还出现合速度大于真空 光速C的情况牛顿的微粒说是在什么指导思想下提出来的？基于光的直线传播和他的自然哲学思想，牛顿在研 究力学时，他的基本对象是“质点”，研究化学时，他 相信“原子说”；加上微粒说简单、直观、方便应用（在几何光学中）。所以站在自然哲学高度，牛顿认为 光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然 的。在用微粒说解释光的折射时，他又用了机械论观 点。他假定速度为光速的微粒进入介质时，在垂直界面 方向受到一个吸引力，获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度与原来的速度相加的结果，合速度的方向向 界面的法线靠拢，发生了折射。但是造成了合速度的大 小将大于空气中的光速C。可见测量光在介质中的速度大 小将是微粒说正确与否的“试金石”。可惜当时没有实验 能对此进行判断。为什么光的微粒说能统治一百多年？一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断 微粒说是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。另一方 面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社会 上的影响，使得微粒说在一百多年内占统治地位。值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光 现象（如干涉）纯粹用微粒说无法解释。尤其在他认识 到了光的周期性后，促使他将微粒说与以太振动的思想 结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。4.2 光的波动说一、惠更斯的波动说波面：波在传播过程中振动相位相同的点组成的面称为波面。波前：最前面的一个波面称为波前。惠更斯在笛卡儿、胡克等人的基 础上提出了光是振动传播的假说。他 认为“光是发光体中微小粒子的振动 在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质（以太）中的传播过程。”他称这种 波为以太波。惠更斯惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵 波。注意：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是 横波。正由于被认为是纵波，所以对“偏振”现象就无法 解释了，加上“以太”是否存在还是一个疑问，而且初期 的波动说还缺乏数学基础，所以难以与微粒说抗衡。-V-HAAAAAANNNMTTTTW稠密 稀疏 一nnuninxwAuimmv横波中质元的振动方向 与波的传播方向垂直纵波中质元振动方向 与波传播方向平行惠更斯原理每一时刻的波前上各点都可看成是新的子波源，从 它们发出的各个球形子波在下一时刻的共同包络面就是 下一时刻的新波前。(a)球面波(b)平面波二、光的反射用惠更斯原理可以解释光的反射三、光的折射1.折射的物理意义用惠更斯原理不仅可以解释光的折射，而且给出了 折射率的明确的物理意义。si翳可朝T射率-=-二一=nsin AC v其中J是在真空中的入射角,0是介质中的折射角，。是介 质中的光速。2.光疏介质与光密介质通常对两种介质而言，光密介质：折射率较大的介质，光速较小。光疏介质：折射率较小的介质，光速较大。真空中，折射率在真空中的光速c最大。光从介质a以入射角外进入介质b，折射角为%则 sm.二%.弭=sin*vb%ba折射率（对黄光）介质空气（标准状况）水光学 玻璃水晶（石英）岩盐(NaCI)冰金刚石折射率1.00031.331.52 1.671.541.541.312.42四、光的全反射全反射：一束光从光密介质进入光疏介质，当入射角大于 某临界角时，光将全部反射回来。Ocri=arcsin(4 b)应用举例：光纤光 纤光纤照片会传像的光纤 4.3光的干涉衍射和偏振一、双缝干涉和薄膜干涉双缝干涉条纹，相同的频率干涉条件1有稳定的相位差 相同的振动方向maxinhimax minmax minmaxminmax双缝干涉1.用波的叠加原理，可以对干涉条纹作 出定量说明、2=2+y-dI 22(1%2=C+y H d I 2 J托马斯杨而因为yvvL X+X2，可近似地用2L来代替，于是我 们得到“光程差”等于:当屏上一点Z的坐标y使得方=2。兀=0,1,2.）时,两支光波在4点“干涉相长”，光强最大，表现为明亮条纹，此时7t A3 2,yd/=2 rm=2兀 2兀 L歹=当,(=0,l,2A)d即（亮条纹）在另一贿力与享“I卷枝）（暗条纹）时,相应之方=（2c+1），m=0Q,2）,表示两支光波在叠 加时“干涉相消。光强为零，产生暗条纹。在原点。处产生亮条纹，其两侧依次产生暗、明相间 的条纹，两条相邻的亮条纹(或暗条纹)的间隔等于：A 在GV2.薄膜和劈尖干涉及其应用(1)薄膜干涉：肥皂泡或路面上 的油膜所产生的彩色图样，是由 于光在薄膜上、下表面反射回来 的光发生干涉而形成的。薄膜干涉(2)空气劈尖干涉劈尖干涉：光从极小角度的空气，劈的上、下两个面反射回来，发 I生干涉。劈尖干涉应用：运用劈形膜的等厚干涉原理，可以检测物体表面 的平整度。取一块光学平面的玻璃片，称为平晶，放在待检测 工件(玻璃片或者金属磨光面)的表面上方，在平晶与 工件表面间形成劈形空气膜，然后用单色光垂直照射，观察干涉条纹。从等厚干涉的特点可知，每一条条纹对应于薄膜中 的一条等高线。如果工件表面是非常平整的，那么等厚条纹应该是 平行于棱边的一组平行线；如果工件表面不平整（肉眼不一定能看出），则等 厚条纹就应该是随着工件表面凹凸的分布而出现的一组 形状各异的曲线。检测精密表面平整度(3)牛顿环牛顿环：把一个大曲率凸透镜放在光学平面玻璃片 o当用单色光正入射到透镜平面上时，由于凸透镜与 下面平面玻璃片间形成的空气劈的作用，则沿着空气劈 厚度增加的方向可观测到同心圆环形的明暗干涉条。牛顿环可用来快速检测透镜的曲率半径及其表面是否合格。牛顿环二、单缝衍射和单孔衍射 仪器分辨率1.单缝衍射不同于双缝干涉，单缝衍射中 央亮条纹特别宽，集中了约90%的 光强，近似为原来单缝的像。单缝衍射图样缝宽时无衍射单缝衍射2.圆孔衍射衍射图样中第一暗环对小孔中心的张角为。，sin/9/9=1.22 d波长入一定时，d越小，夕越大，即光转弯越厉害。法国科学家菲涅耳从波动观点出发，将叠加原理与惠更斯原理结合起来，严格计算 了狭缝圆孔、圆板后面的衍射图 样。尤其是在圆板后面屏幕中央 有亮斑，当时轰动了法国科学院,一些权威不相信。但最终实验证 实了菲涅耳的计算结果，从而使 波动说取得了决定性的胜利。菲涅耳圆孔衍射图样3.仪器分辨率以 in=L22/仪器分辨率三、光的偏振1.什么是偏振光?电磁波是横波，电场和磁场的振动方向与波的传播 方向垂直。电磁波传播非偏振光：垂直传播方向的振动方向可以在Oxy平面内是任意的。自然光：在垂直于传播 鼠一方向的各方向上，电场强_-一端一度振动的强度随时间的平均值是均匀的。自然光线偏振光：光振动只沿某一固定方向。光振动在纸面内光振动垂直于纸面线偏振光部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的 光振动占优势。椭圆偏振光：光矢量按一定频率旋转，其矢端轨迹为 椭圆的。圆偏振光：光矢量按一定频率旋转，其矢端轨迹为圆 的。部分偏振光圆偏振光椭圆偏振光2.如何产生偏振光？(1)用起偏器，使非偏振光变成线偏振光。1=仆。$2。(2)普通反射光也是部分偏振的。当光在折射率为的介质内，以%(布儒斯特 角)入射到折射率为的介质表面时，反射光可达到完 全线偏振(光矢量垂直于入射平面)。f八 ntan%=-n3.应用举例让某种偏振舞透过髓片光的偏振的应用(1)在摄影镜头前加上偏振镜消除反光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。要通过 取景器一边观察一边转动镜面，以便观察消除偏振光的 效果。当观察到被摄物体的反光消失时，既可以停止转 动镜面。(2)司机镜当司机驾车在公路上迎着太阳行驶时，会因路面的 反射光而感到晃眼。阳光照射在路面上而反射，入射面 垂直于路面，而反射光的光振动以垂直于入射面为主(即以平行于路面为主)。这就是司机镜的原理，它是 一种特殊的偏振镜。只要司机 戴上它，镜片的偏振化方向取 垂直于路面方向，就不会感晃 眼睛。司机镜(3)摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗由于蓝天中存在大量的偏振光，所以用偏振镜能够 调节天空的亮度，加用偏振镜以后，蓝天变的很暗，突 出了蓝天中的白云。偏振镜是灰色的，所以在黑白和彩 色摄影中均可以使用。（4）使用偏振镜看立体电影在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向 同时拍摄下景物的像，制成电影胶片。在放映时，通过 两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放 映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果 用眼睛直接观看,看到的画面是模糊不清的，要看到立体 电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相 当于起偏器，从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就 成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向 互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂 直。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变。观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼 睛只看到相应的偏振光图像，即左眼只能看到左机映出 的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直 接观看那样产生立体感觉。这就是立体电影的原理。当然，实际放映立体电影是用一个镜头，两套图像 交替地印在同一电影胶片上，还需要一套复杂的装置。这 里就不涉及了。立体电影眼镜4.4光的波拉二重性一、光电效应和爱因斯坦的光子”假设光电效应实验的实验结果：用经典理论无法解释1.存在截止频率。2.光照到金属表面光电流立即 产生。3.光的最大动能只与光的频率 有关，与光强无关。光电效应实验爱因斯坦把普朗克关于能量量子化的假定推广用来 解释“光电效应”。他指出：“按通常的想法，光的能量是连续地分布 于光传播所经过的空间，当人们试图解释光电现象时，这种想法遇到了极大的困难”O光的产生和转化的一个启发性观点(1905)为此，他进一步假定光的能量 也是量子化的，是由“能量子所组 成”，且“每个能量子将它的能量 转移给电子，与所有其它的量子关，那么电子的速度分布，将与入射光 的强度无关；但在另一方面，假设其它情况都相同，则离开物体 的电子的数目将正比于入射光的强度。”这里的能量子 后来被称为光量子或光子。每个光子的能量是与频率 成正比。E=hv1 2 7 nzmv=nv-W2 Vmin=WeVQ=hv-W二、“光量子”假设遭到冷遇和怀疑(1)光子的概念与人们原来对光的认识相差太大。由光电方程用稗=.少即玲与频率!/成正比。但当时的实验还不够精确，此式未得到很好的验证。所以“光量子”假设不被科学界所接受。普朗克认为“他可能在他的思索中失去目标”。当时的科学家还是试图用经典波动理论来解释光电 效应实验。三、密立根实验直到1914年，才由美国物理学家密立根全面验证了 光电方程的正确性。密立根从玲与卜成正比，并从第一次直接从实验中测定了普 朗克常数比1921年和1923年，爱因斯坦和密立根先后获得诺贝 尔物理学奖。很有意思的是，在1923年的领奖演说中，密立根公 开承认自己曾长期对爱因斯坦的“光量子”观点和光电 方程抱怀疑态度。他在演说中说道：“与我自己预料的相反，这项工作终于在1914年成 了爱因斯坦方程在很小实验误差范围内精确有效的第一 次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗 克常数比”密立根精神：尊重事实，而不是尊重权威不被传统观念束缚 有勇气否定自己四、光的波粒二象性1909年，爱因斯坦明确地提出了光的波粒二象性,并说这“可以被理解为波动理论和微粒说的一种统_o他提出两个著名聘叁南声h将标志波动性的v和2通过力与标志粒子性的母口 p联系起来了 O光在传播时显示了波动性，在与物质相互作用而转 移能量时显示出了粒子性，两者不会同时显示出来。五、康普顿效应1.任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验 方法的验证。1923年美国物理学家康普顿证明了 X射 线的粒子性，是继光电效应后证明光的粒子性的又一 个独立的关键性实验。2.X射线源发射一束波长为2的X射线，经一块石墨发生散射，散射光穿过光，阑，其波长和强度可|I以由晶体和探测器所组成的光谱仪来测定。石墨散射标X射线源探测器康普顿散射装置3.康普顿接受爱因斯坦的观点，认为X射线的光子好比 一个个小钢球，每一个不但有能量昆/7%而且具有动 量 P=/7/2(41/=C)o 7=一(1-C0S，)me。康普顿实验比光电效应更进一步证实了电磁辐射的“粒子性”，因为在解释光电效应实验时，只涉及到了 光子的能量。而在解释康普顿效应时，不仅考虑了光子 的能量，还考虑了光子的动量。所以康普顿散射实验为爱因斯 坦的光量子假设提供了更完全的依 据，在这以后，怀疑“光量子”说 的人就非常少了。康普顿因此获得1927年的诺贝 尔物理学奖。康普顿4.5多普勒效应一、声波的多普勒效应多普勒效应：声源与观察者有相对运动时，观察者所接 收到的表观频率发生变化。两种情况：i.声源静止，观察者动，速度为%b当观察者向着声源运动时，取%户0当观察者背离声源运动时，取%60 表观频率V为2V2.观察者静止，声源运动，速度为名 当声源向着观察者运动时，取%。当声源背离观察者运动时，取%。表观频再为 vf=（2s3.如两者一起运动，表观频率，=（rE-）v 展q多普勒效应4.光学多普勒效应.=(+4b =q+c c改写为频率的改变量:0Ay=c在同样近似程度内，有 c VM=-v x(1+二加。一 q c，况或 Av=v-v=vcV两式统一为 Av=-v c请注意：以上只是观察者与光源的相对运动在它们 的连线上的情况，称为纵向多普勒效应。第八章将介绍 横向多普勒效应。应用举例：雷达测速仪（测云层、飞机、汽车等的 速度）雷达测速例1设地面固定雷达站发出频率为卜的雷达波，当波遇 见飞行物（以速度。迎面而来）被反射回来后，又被雷达 站所接受时，其频率改变为v，求其频率。解 雷达波被（靠近的）飞行物反射可以视为先被飞行 物接收，继而由飞行物再发射的两步过程。第一步：飞行物接收到的雷达波的表观频率为Vfi+4I C)第二步：飞行物将频率为/的波再发射（实际是反 射）出来，被雷达站接收时，其频率又从/升高到表观 频率、2,O I.1hv 1+fi+4I c)v”C J02V(因 1可略去)C于是总的频率增量等于：Av=vff-v=-v c例2气象上已广泛使用气象雷达，它常用的工作频率是 y=2.7GHz,今若有一朵雨云以速度o=28m/s向气象站飞 来，问雷达测到的频率为多少？2v 2x28m/s 八八 八名 Av=v=-x 2.7 x 109 Hz=500Hz解 c 3xl08m/s500Hz k可见测量精度已达到2 7x109hz=2x1，这样才保证 今天的气象预报有很高的准确性。4.6破东公式光的共振吸收 激光原理一、两能级原子与光的相互作用1.自发辐射和受激（共振）辐射为了解释原子与光谱是线光谱的事实，玻尔假定一个 原子只能处于若干不连续的分立的能量状态，称为定态。2.原子退激所放光子能量或共振吸收的光 子能量为EE hv 这就是玻尔公式。-岛.hvO-M(&)自发辐射-P-0加 八-（b）受激（共振）吸收二能级系统二、爱因斯坦关于受激辐射的预言和激光的发明1.1917年，爱因斯坦为了导出普朗克黑体辐射公式，首 先预言了“受激辐射”过程。受激吸收过程受激辐射过程生Ahv耳4诱发光子的能量v=z-42.受激辐射光的特征所放出的两个光子有同样的频率，同样的偏振方向 和同样的相位。显然是实现了光的放大，有很好的应用前景。尸_ _3-O-=与-受激辐射光子ZX/S/X/-ZX/S/X/-诱发光子 诱发光子Ei-.3.获得激光的必要条件粒子数反转：使上能级弓的原子数大大超过下能级 匕原子数。激光的英文名字是Laser（镭射），也就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的缩写。激光的意思是光受激辐射放大。这个简练又准确的名字是钱学森提出的。4.氢就激光器的物理过程产生激光的工作介质，为实现粒子数反转所提供的 激励源，实现光放大的谐振腔。三、激光冷却、玻色-爱因斯坦凝聚20世纪30年代，爱因斯坦曾提出一个著名的预见，当温度降低到原子的波长约等于原子的间距时，会有一 个很特殊的情况发生：许多原子的行为开始变得一致，这意味着它们的相 位、速度和任何状态都一模一样。这被称为玻色爱因斯坦凝聚。在温度很低而密度很高的状态下,许多原子的行为将开始变得用眼睛对着激光看，会被灼伤视网膜；激光还能切割、焊接金属。然而，激光也可以把原子冷却到非常低的温度!如何理解激光冷却？所谓激光冷却，就是在激光作用下使原子的速度降低。激光冷却与捕陷原子获得低温是长期以来科学家所刻意追求的一种技 术。它不但给人类带来实惠，例如超导的发现与研究，而且为研究物质的结构与性质创造了独特的条件。例如 在低温下，分子、原子热运动的影响可以大大减弱，原 子更容易暴露出它们的“本性:以往低温多在固体或液 体系统中实现，这些系统都包含着有较强的相互作用的 大量粒子。20世纪80年代，借助于激光技术获得了中性 气体分子的极低温（例如，10-10K）状态，这种获得低温 的方法就叫激光冷却。实际上，原子的运动是三维的。1985年贝尔实验室 的朱棣文小组就用三对方向相反的激光束分别沿x,y,z 三个方向照射钠原子，在6束激光交汇处的钠原子团就被 冷却下来，温度达到了240mK。理论指出，多普勒冷却有一定限度（原因是入射光 的谱线有一定的自然宽度），例如，利用波长为589nm 的黄光冷却钠原子的极限为240mK,利用波长为852rlm 的红外光冷却钠原子的极限为124mK。但研究者们进一 步采取了其他方法使原子达到更低的温度。1995年达诺 基小组把钠原子冷却到了2.8nK的低温，朱棣文等利用钠 原子喷泉方法曾捕集到温度仅为24pK的一群钠原子。在朱棣文的三维激光冷却实验装置中，在三束激光 交汇处，由于原子不断吸收和随机发射光子，这样发射 的光子又可能被邻近的其他原子吸收，原子和光子互相 交换动量而形成了一种原子光子相互纠缠在一起的实 体，低速的原子在其中无规则移动而无法逃脱。朱棣文 把这种实体叫做“光学粘团力这是一种捕获原子使之集 聚的方法。更有效的方法是利用“原子阱”，这是利用电 磁场形成的一种“势能坑”，原子可以被收集在坑内存起 来。一种原子阱叫“磁阱”，它利用两个平行的电流方向 相反的线圈构成。这种阱中心的磁场为零，向四周磁场不断增强。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心时 势能最低，偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而 返回。这种阱曾捕获1012个原子，捕陷时间长达I2min。除了磁阱外，还有利用对射激光束形成的“光阱”和把磁 阱、光阱结合起来的磁光阱。激光冷却和原子捕陷的研究在科学上有很重要的意 义。例如，由于原子的热运动几乎已消除，所以得到宽 度近乎极限的光谱线，从而大大提高了光谱分析的精 度，也可以大大提高原子钟的精度。最使物理学家感兴 趣的是它使人们观察到了“真正的”玻色爱因斯坦凝聚。这种凝聚是玻色和爱因斯坦分别于1924年预言的，但长 期未被观察到。这是一种宏观量子现象，指的是宏观数 目的粒子（玻色子）处于同一个量子基态。它实现的条 件是粒子的德布罗意波长大于粒子的间距。在被激光冷 却的极低温度下，原子的动量很小，因而德布罗意波长 较大。同时，在原子阱内又可捕获足够多的原子，它们 的相互作用很弱而间距较小，因而可能达到凝聚的条 件。1995年果真观察到了 2000个锄原子在170n K温度下 和5X105个钠原子在2mK温度下的玻色爱因斯坦凝朱棣文，美籍物理学家激光冷却饵原子（激光 从左至右）4.7激 波和切仑可夫辐射i.激波：每一瞬时发出的一系列球 形子波，其包括面便形成圆锥面。2.声波改为光波会怎么样？1934年俄罗斯科学家切仑可夫预后说：在介质中光速将变慢（），所 以完全有可能在介质中一个带电粒 子的飞行速度超过%，这时也会产生“电磁激波”，称为切仑可夫辐射。例如浸有核燃料的水池中的水会 呈现美丽的蓝色。协和式超音速飞机高等教育出版版权所有复制必究第五章打开微观世界研窕大门的 三大发现科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种方式是 大家熟知的：科学直接的并在更大程度上间接地产生出 完全改变人类生活的工具；第二种方式是教育的性质一 它作用于心灵。爱因斯坦世界万物是如何构成的？公元前400年，古希腊的哲学家德谟克里特认为，物质 是由最小的不可再分的粒子构成。原子的英文名字：atom o原子的希腊文名字：atomos,意思是不能再分。最早原子这个词传入中国时严复把它翻译成“莫破尘”。我国战国时的公孙龙说过：“一尺之趣，日取其半，万 世不竭。”科学原子论的创始人 英国科学家道尔顿在1807年，依据一系列实验首先 提出：“气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子 组成的”以及“同种元素的原子其大小、质量和各种性质都 相同”。在这里，道尔顿的原子已不再是哲学术语，而是实 在在组成物质的基本单元。在这以后，不少化学家和物理学家以大量实验事实证 明了科学原子论的正确。但是原子到底是否可分？若还可分，则如何分？物质结构的最小层次又是什么？这些任务落到了物理学家身上O大约又过了 100年，到19世纪末，物理学家的 研究有了突破性的发现。这就是世纪之交的三大发现：X射线 放射性 电子的发现人类从此打开了奇妙的微观世界研究的大门。5.1 X射线的发现一、阴极射线的发现及其本性的争论1858年，德国物理学家普吕克尔发现阴极射线。德国物理学家哥尔茨坦认为阴极射线应该是一种类 似于紫外光的以太波。赫兹和他的助手勒纳德，通过实验研究发现：从勒纳德窗透出来的射线与放电管内射线性质完全 相同。它能使荧光物质发光，在磁场中能偏转，可使照 相底片感光，可使空气电离。另一种观点来自英国学派，他们主张阴极射线是粒 子流。两个学派，截然相反的 种观点，在当时双方争持不 下。最后对阴极射线本性作 正确而肯定答案的是英国剑 桥大学卡文迪许实验室教授 J.J.汤姆孙。J.J 汤姆伦二、一种新射线的发现伦琴用装有勒纳德窗的阴极射线管 研究阴极射线，发现了 X射线，于1901 年获得了第一个诺贝尔物理学奖。1.发现过程：抓住异常现象不放过，一鼓作气，深入研究，7周时 间连续发现了一种奇特的新射线（X射线），这种射线：直线传播，在磁场中不偏转，有很强的 相底片感光。1895年12月28日，完成了具有历 史意义的论文一种新射线一一初步 报告,公布了历史上第一张X射线的 照片（他妻子的手骨照片）2.重大意义：人类首次进入了微观世界3.在发现过程中几个值得思考的问题(1)伦琴发现X射线是偶然的吗？看来好像是偶然的，实际上又是“偶然中的必 然”。在伦琴发现X射线之前的30年中，不少科学家已 发现过类似伦琴所见到的异常现象，可惜没有抓住机 会。成了恩格斯所说的“往往当真理碰到鼻子尖上的 时候，还是没有得到真理”的人。伦琴为什么能抓住呢？这归功于他一贯对实验工 十分热爱和专注以及他敏锐的观察和判断能力，还有严 谨的科学态度。机会只青睐有准备的头脑“实验是最强有力的杠杆，我们可以利用这个杠杆去撬 自然界的秘密。在解决某一假说是保留还是摒弃这样一 个问题时，这个杠杆应当成为最高级的评审法院。伦琴柏林普鲁士科学院在祝贺伦琴获得博士学位50周年 的贺信中，对伦琴做出了高度的评价：“科学史表明，在每一个发现中通常都在成就和机遇中间存在一种特殊 的联系，而许多不完全了解事实的人，可能会倾向于把 这一特殊的事例大部分归功于机遇。但是只要深入了解 您独特的科学个性，谁都会理解这一伟大发现应归功于 您这位摆脱了任何偏见，将完美的实验艺术和极端严谨 自觉的态度结合在一起的研究者。”（2）伦琴淡薄名利的高尚品德值得称颂。他将发现和 发明全部奉献给了人类。三、X射线的本性和应用 X射线与通常的光波一样，是电磁波，只是波长很短(0.001 Inm)o围绕X射线的性质和应用的研究，除伦琴外，还有15 项获诺贝尔奖的课题与X射线有关。获奖年代人物成就1914劳厄提出了用天然晶体的晶格作为衍射光栅，观察到了X射线的衍射现象，证明X射线是电磁波1915布拉格父子利用X射线衍射进行晶体结构分析1927康普顿康普顿散射，揭不了X射线光子的粒子性在应用方面值得指出的是：用X射线衍射可以对晶体表 面进行分析，尤其值得一提 的是用此方法，沃森和克里 克获得了DNA分子结构，从 而提出DNA双螺旋结构模 型。用特征X射线可对材料的元 素成分做出分析，在考古、医学诊断、材料研究等方面 有重要应用。DNA分子双螺旋结构5.2放射性的发现一、贝克勒尔的一个惊人的 意外发现1.发现过程起因是彭加勒对X射线来 源的一个错误推测：他认为X 射线可能是从荧光物质发出 的。贝克勒尔是研究荧光现象 的世家子弟，他用荧光物质铀 盐做实验，事隔一周后，所给 出的两次报告的结果截然不 同。贝克勒尔他发现铀盐本身就会放出一中肉眼看不见的射 线，它与荧光完全无关，是一种穿透能力很强的神秘 射线。这种射线还可以使空气电离。这一性质为后来 对射线强度的定量研究打下了实验基础。九叫4/x 第一张铀辐射照片2.重大意义：人类第一次接触到核现象，下章我们将 会知道放射性是来自原子核，这使人类的认识又深入一 个层次。3.在发现过程中几个值得思考的问题(1)偶然中的必然：家族几代人对铀盐的研究，使贝克勒 尔积累了丰富的实践经验，培养了他严谨的科学态度和 科学家的“灵感”。(2)“灵感”是一种创造性思维。科学思维包括逻辑思维(归纳、演绎、类比等)和超逻辑思维(科学想象、直 觉和灵感)。人们的科学思维是这两种思维的综合运 用。但超逻辑思维能打破常规思路、突破思维定式、洞 察事物本质，更具创造性作用。“灵感”是一种顿悟式的、突发性的直觉。它是以创 造者善于思考、不断探索和实践经验的积累为前提的，决不是凭空想象和心血来潮的结果。(3)从简单的甚至错误的假设出发，通过实验检验不 修正，甚至推翻原有的假设，使人们的认识逐步走向真 理，最终得到世人公认的重大发现，这正是科学研究的 一种常见模式。二、贝克勒尔的“先验观念”和居里夫人的新的突 破1.贝克勒尔为什么“保守”了？贝克勒尔发现铀盐的放射性后，没有将研究拓宽和 入下去，而是仅仅只限于铀盐。各种原因正如他多年后所 说：“因为放射线是通过铀认识的，所以有一种先验的观 念，认为其他已知物体的放射性可比铀还要大很多是不大 可能的，于是对这个新现象的普遍性的研究似乎就没有对 它的本质的物理研究来的紧迫。”2.居里夫人的创新思维居里夫人根据其丈夫的建议，将刚被发现的放射性 的研究作为她的博士论文。7IB ftllB(1)她毫不保守，毅然将测量对象从一种铀盐扩展到她 所能找到的各类矿石。(2)通过高精度定量化的测量弱电离电流来测量放射性 的强度。在极端困难情况下，她 在1898年接连发现了新的放 射性元素：牡、针和镭。其 中镭的放射性要比铀强约100 万倍。1903年居里夫妇与贝克 尔共享了诺贝尔物理学奖。居里夫妇3.居里夫人的高尚品德居里夫妇克服困难，历时4 年坚持不懈地工作，在几吨矿渣 中提炼出了01克纯氯化镭。居 里夫人的健康受到很大损害，体 重减轻了 10公斤。然而回忆这 段历史，她说：“在这样的设备 条件下，我们开始了令任何人都 会疲乏不堪的工作。然而，就是 在这陈旧不堪的棚子里，度过了 我们一生中最美好和最幸福的年 月。”作为第一位两获诺奖的科学家，功名、财富近在咫 尺。然而居里夫人不为所动，不把自己的发明申请专 利，将制镭技术奉献给全人类。她说：“物理学家总是把研究成果全部发表的。不能 为我们的发现偶有商业前途而从中牟利，特别是，镭有治病的功效我们不能申请专利，这是违背 科学精神的。”讨论与思考：在强调保护“知识产权”的今天，如何认识和看待居 里夫人的举动？爱因斯坦在悼词中说：“在像居里夫人这样一位崇高人物结束她的一生的时 候，我们不要仅仅满足于回忆她的工作成果对人类做 出的贡献。第一流人物对于时代和历史进程的意义，在其道德品质方面，也许比单纯的才智成就方面还要 大。三、a、p和丫三种射线1.三种射线在磁场中可以分开：a射线：；HeP射线：e-电子流y射线：中性的电磁辐射2.放射性现象实质是一种原子核衰变a衰变：原子核自发地放射出粒子而发生的转变。衰变：原子核自发地放射出粒子或俘获一个轨道电子 而发生的转变在考古上常用i4c的核的r衰变为:Cf N+eWe在医学上常用号N的核的p+衰变为:13 丁、13 厂.+.7N 6C+e+Ve轨道电子俘获：I Be+e；Li+v4 NJ其中Ve 是质量很接近零的中微子。它们是电 中性的，有很强的穿透力。K表示从最靠近核的K层电 子轨道上俘获的电子。Y衰变：a或B衰变后，留下的子核处于激发态时，它可以通过放出y射线而退激。子核放出的y射线不止一 种，可能含有几种不同能量的y射线，例如CoNi*+e-+ve 乙/乙O D处于激发态的28 Ni*子核可以再放出的射线有1.17MeV 和 1.33MeV 两种。、放射性衰变规律1.指数衰变规律N（t）=N0e-X为衰变常数，是反映衰变快慢的物理量2.放射性活度和衰变常数的意义在实际应用中，放射性强弱应是与放射性核的数目及衰变快慢有关，所以定义放射性活度：A（t）=XN（t）其物理意义是：在Z时刻，放射性核素的衰变率，即在 t t+A/时刻内发生衰变的放射性核素数目与，时 间之比。证明:%)=z(=A2VAN _+当A，足够小时，e.，句-数，所以A（t）=2N（t）由竽=%N）,可得 L_ 1/2的物理意义是：单位时间放射性核素的衰变概率（单位是s“）3.半衰期与;I的2关系某放射性核素的数目 衰变掉一半所需的时间t ln2 0.6931 1-二衰变规律可以改写为：0.693Z放射性核素指数衰变规律图4/24.已知放射性活度随时间的变化，可以测得相应的时间于是有应用举例：气考古例题：有一古尸，现测得此古尸1 g碳中的14c的活度是0.121 Bq。问此人已死亡多少年了？2=Q693=693=121x10_4/83x1().12/sTl/2 5730y此人刚死亡时lg碳中14c的放射性活度A。的计算如下:已知12 g(1摩尔质量)碳中含有的碳原子数为阿伏 德罗常数S=6.02X1()23个，所以1g碳甲C 的原子数蚓OZxlO/iZnS.OZxlC 个，相应的 原子数且涉 X1 o2?X1.20 x 10-12=6.02X 1010z 19 v个，毛盘可得Aq=%No=(3.83x1 0-12/s)(6.02 x 10107=0.23 IBq1.(AA 1(0.231Bq1 八2 A J 1.21x10-4 o.l21Bq)可见此人已死去5340年了 o5.3电子的发现一位最先打开通向 基本粒子物理学大门的 伟人一汤姆孙教学提示：鉴于汤姆孙对物理 学发展所做出的贡献，有必要介 绍他的生平。尤其是他连续担任 卡文迪许实验室教授（即负责 人）长达35年，为实验室建设、人才培养、国际合作交流做出了 重要贡献（见附录5A）汤姆孙在测荷质一、电子发现过程三个关键性实验：第一个实验：通过提高真空度，完成了阴极射线在 场中的偏转实验，证明阴极射线是带电粒子流。第二个实验：利用汤姆孙管，定量测出阴极射线的 荷质比约为ionc/kg,这要比氢原子的荷质比大1000倍 左右。他结合了其他人的实验，尤其是的阴极射线能穿 过勒纳德窗（铝箔）的实验，提出这种微粒应比原子、分子小得多，且是原子的组成部分。而且由于与阴极物 质材料无关，他进一步得出结论：这种粒子应是各种物 质不同原子所包含的普适成分。汤姆孙第三个实验：利用威尔逊所发明的云雾室，测定这 种微粒所带电荷为1.1X10-19C,有力地证明了此微粒的 质量要比氢离子小约1000倍。这种微粒后来被命名为“电子”，电子的发现是关于 阴极射线本质的争论宣告结束。二、要敢于突破传统观念在继承中发展，这是科学研究的正确方法。但是在 认识发展的过程中要有敢于创新，敢于突破传统观念束 缚的勇气。正如英国科学家贝尔纳所说：“发现的最大 困难，在于摆脱一些传统的观念。”面对荷质比的测定结果，只有汤姆孙认为它可以不 是传统原子、分子微粒，而是一种新的、前人从未见到 过的比原子、分子微粒小得多的带电粒子。三、电子发现对现代科学和技术发展的深远意义1.电子的发现，打破了原子不可分的经典的物质观，告原子不是构成物质的最小单元，它具有内部结构，是 可分的。2.三大发现中电子的发现是与微观物质组成有最直接的 关系，它是组成原子的普适成分，它的质量比氢原子要 小三个量级。3.电子的问世开辟了电子技术的新时代。