(1.11)-講稿10-光學(xué)（3）物理史話

講稿講授內(nèi)容備注第4頁(yè)共4頁(yè)引題：上一節(jié)學(xué)習(xí)波動(dòng)光學(xué)的學(xué)建立基礎(chǔ)，介紹了托馬斯楊和菲涅爾等科學(xué)家建立波動(dòng)光學(xué)的艱辛歷程，今天我們繼續(xù)學(xué)習(xí)光學(xué)兩個(gè)重要分支--量子光學(xué)和近代光學(xué)的發(fā)展歷程與、量子光學(xué)時(shí)期1.概述：時(shí)間：19世紀(jì)末～20世紀(jì)60年代特點(diǎn)：對(duì)光的研究由宏觀進(jìn)入微觀的時(shí)代成就：揭示了光的本質(zhì)，提出量子化思想代表人物：普朗克—輻射量子論愛因斯坦—光量子理論德布羅意—物質(zhì)波學(xué)說2.黑體輻射來源：1859年基爾霍夫物體熱輻射的發(fā)射本領(lǐng)e(v,T)和吸收本領(lǐng)a(v,T)的比值都相等，并等于該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的輻射度實(shí)驗(yàn)規(guī)律：黑體輻射的能量按波長(zhǎng)的分布理論解釋：維恩（德國(guó)人，1864--1928）公式在短波區(qū)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，長(zhǎng)波區(qū)偏差太大瑞利（英國(guó)人，1842--1919）—金斯（英國(guó)人，1877—1946）公式：在長(zhǎng)波區(qū)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，短波區(qū)出現(xiàn)“紫外災(zāi)難”附：瑞利（1842～1919）Rayleigh，Baron英國(guó)物理學(xué)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歲入劍橋大學(xué)三一學(xué)院學(xué)習(xí)1866年（3年）后以優(yōu)異成績(jī)畢業(yè)1868年（畢業(yè)后第二年）被選為三一學(xué)院研究員1873年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員1879～1884年任卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任1885～1896年任皇家學(xué)會(huì)秘書1905～1908年任會(huì)長(zhǎng)，1908年起任劍橋大學(xué)校長(zhǎng)1919年6月30日去世他在理論和實(shí)驗(yàn)方面都有杰出才能，研究工作幾乎遍及當(dāng)時(shí)經(jīng)典物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。他有不少著作，論文達(dá)400多篇。1877～1878年《聲學(xué)原理》兩卷，為近代聲學(xué)奠定了基礎(chǔ)他對(duì)“天空為什么呈藍(lán)色”作了理論解釋，導(dǎo)出了分子散射公式他進(jìn)行了光柵分辨率和衍射的實(shí)驗(yàn)研究，第一個(gè)對(duì)光學(xué)儀器的分辨率給出明確的定義，對(duì)光譜學(xué)的研究起了重要作用1895年發(fā)現(xiàn)從液態(tài)空氣中分餾出來的氮，與從亞硝酸銨中分離出來的氮，有極小的密度差異。這一事實(shí)導(dǎo)致空氣中的一個(gè)稀有元素——?dú)宓陌l(fā)現(xiàn)，因而獲得1904年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他在1900年得出一個(gè)關(guān)于熱輻射的公式（瑞利-金斯公式，見黑體輻射），在長(zhǎng)波區(qū)域，同實(shí)驗(yàn)符合得很好，為量子論的出現(xiàn)準(zhǔn)備了條件普朗克公式：在1900年，普朗克（德國(guó)人，1858—1947）大膽地提出了能量子假說，認(rèn)為各種頻率的電磁波只能從一定的能量子方式從振子發(fā)射，能量子是不連續(xù)的，它的值是光的頻率和普朗克常數(shù)的乘積的整數(shù)倍，它和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合。不僅如此，量子論還以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)問題。它不但給光學(xué)而且給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念，因此，它的誕生被看作近代物理學(xué)的起點(diǎn)。普朗克：馬克斯·普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858.4-1947.10）德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人1858年4月23日生于基爾。1867年隨父（慕尼黑大學(xué)的民法學(xué)教授）遷往慕尼黑。1874年入慕尼黑大學(xué)。1877～1878年間去柏林大學(xué)聽亥姆霍茲和基爾霍夫的講課。自學(xué)了R.克勞修斯的《力學(xué)的熱理論》，立志去尋找具有普遍性的規(guī)律1879年在慕尼黑大學(xué)得博士學(xué)位后，先后在慕尼黑大學(xué)和基爾大學(xué)任教。1888年柏林大學(xué)任命他為基爾霍夫的繼任人和理論物理學(xué)研究所主任1900年，他在黑體輻射研究中引入能量量子1918年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1918年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員1926年被推舉為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的最高級(jí)名譽(yù)會(huì)員，選為美國(guó)物理學(xué)會(huì)的名譽(yù)會(huì)長(zhǎng)。1930～1937年他擔(dān)任威廉皇帝協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。1947年10月3日在哥廷根病逝，終年89歲。德國(guó)政府為了紀(jì)念這位偉大的物理學(xué)家，把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。3.光電效應(yīng)（1）光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1887年赫茲（HeinrichHertz）在研究電磁場(chǎng)的波動(dòng)性時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的。赫茲用兩套放電電極，一套產(chǎn)生振蕩，發(fā)出電磁波；另一套充當(dāng)接收器。為了便于觀察，赫茲偶然把接收器用暗箱罩上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接受電極間的火花變短了。赫茲工作非常認(rèn)真，用各種材料放在兩套電極之間，證明這種作用既非電磁的屏蔽作用，也不是可見光的照射，而是紫外線的作用。當(dāng)紫外線照在負(fù)電極上時(shí)，效果最為明顯，說明負(fù)電極更易于放電。赫茲的論文《紫外線對(duì)放電的影響》發(fā)表后，引起了廣泛反響。（2）揭示光電效應(yīng)的機(jī)制1888年，德國(guó)物理學(xué)家霍爾瓦克斯（WilhelmHallwachs），意大利的里奇（AugustoRighi）和俄國(guó)的斯托列托夫幾乎同時(shí)作了新的研究。斯托列托夫在金屬極板C前幾毫米遠(yuǎn)處，安放一金屬網(wǎng)，極板C與金屬網(wǎng)分別接于電池B的兩端，使C帶負(fù)電。用檢流計(jì)G測(cè)量電流，弧光從A照向極板C，檢流計(jì)指示有電流將電池極性對(duì)換，使C極電位為正，則檢流計(jì)不指示電流。（3）勒納德的新發(fā)現(xiàn)勒納德為了研究光電子從金屬表面逸出時(shí)所具有的能量，在電極間加反向電壓，直到使光電流截止，從反向電壓的截止值（即遏止電壓）V，可以推算電子逸出金屬表面的最大速度。勒納德用不同材料做陰極，用不同光源照射，發(fā)現(xiàn)都對(duì)遏止電壓有影響，唯獨(dú)改變光的強(qiáng)度對(duì)遏止電壓沒有影響。電子逸出金屬表面的最大速度與光強(qiáng)無關(guān)這個(gè)結(jié)論與經(jīng)典理論是矛盾的。根據(jù)經(jīng)典理論，電子接受光的能量獲得動(dòng)能，應(yīng)該是光越強(qiáng)，能量也越大，電子的速度也就越快。除此之外還有如下矛盾光的頻率低于某一臨界值時(shí)，不論光有多強(qiáng)，也不會(huì)產(chǎn)生光電流。光照到金屬表面，光電流立即就會(huì)產(chǎn)生附：勒納德在1902年提出觸發(fā)假說，假設(shè)在電子的發(fā)射過程中，光只起觸發(fā)作用，電子原本就是以某一速度在原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，光照到原子上，只要光的頻率與電子本身的振動(dòng)頻率一致，就發(fā)生共振，所以光只起打開閘門的作用，閘門一旦打開，電子就以其自身的速度從原子內(nèi)部逸走。他認(rèn)為，原子里電子的振動(dòng)頻率是特定的，只有頻率合適的光才能起觸發(fā)作用。勒納德的觸發(fā)假說很容易被人們接受，當(dāng)時(shí)頗有影響。

1905年勒納德因陰極射線的研究獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)（4）愛因斯坦的光量子理論1905年發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》愛因斯坦從普朗克能量子假說中受到了啟發(fā)。他在論文指出：“運(yùn)用連續(xù)三維函數(shù)的光的波動(dòng)理論極其圓滿地解釋了各種純光學(xué)現(xiàn)象”?！翱墒俏覀儜?yīng)當(dāng)記住，光學(xué)觀測(cè)所得出的是對(duì)時(shí)間的平均值，而不是瞬時(shí)值”。“當(dāng)運(yùn)用三維函數(shù)的光的理論到光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化等現(xiàn)象時(shí)，它勢(shì)必導(dǎo)致與經(jīng)驗(yàn)相矛盾。因此他明確提出光量子概念：光波是由一個(gè)個(gè)光量子組成的，每個(gè)光量子不僅具有能量ε，也有動(dòng)量p，并滿足關(guān)系：ε＝hν這就是愛因斯坦光量子理論。1926年，劉易斯（1875－1946）將光量子命名為“光子”按照光量子理論，當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，光的能量被金屬中的電子吸收。電子從全屬表面逸出，一部分能量用來克服表面逸出功W，另一部分則成為電子動(dòng)能。由能量守恒得到愛因斯坦光電效應(yīng)方程。由此，愛因斯坦成功地解釋了光電效應(yīng)。并主要因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。美國(guó)物理學(xué)家密立根（公元1868－1953）化了十年時(shí)間企圖從實(shí)驗(yàn)否定這一理論，但總是得出相反的結(jié)果他于1915年宣布，他在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了由光量子理論得到的h值和普朗克公式中的h值完全一致，從而證實(shí)了愛因斯坦光電效應(yīng)公式。1923年，康普頓（公元1892—1962）用光量子理論解釋了X射線被金屬散射的散射光譜。又一次證明了光量子理論的正確性。愛因斯坦的光量子理論不僅解釋了光電效應(yīng)，其更重要的意義在于揭示了光具有波粒二象性。使人們對(duì)光的本性有了更深刻的認(rèn)識(shí)，并對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。4.波粒二象性（1）愛因斯坦的貢獻(xiàn)1905年的光量子假說隱含了光的波粒二象性的思想1909年再次撰文討論輻射問題，預(yù)見到了將有一種新的理論使波動(dòng)性和微粒性熔合于一體1919在《關(guān)于輻射的量子理論》提出受激輻射，為激光的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。（2）X射線本性之爭(zhēng)倫琴認(rèn)為X射線可能是以太中的某種縱波斯托克斯認(rèn)為X射線可能是橫向的以太脈沖J.J.湯姆生也認(rèn)為是一種脈沖波1899年哈加(Haga)和溫德(Wind)測(cè)出三角形微弱的衍射圖象1912年勞厄發(fā)現(xiàn)X射線衍射，對(duì)波動(dòng)說提供了最有力的證據(jù)5.康普頓效應(yīng)1904年，英國(guó)物理學(xué)家伊夫(A.S.Eve)首先發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)的跡象1910英國(guó)的弗羅蘭斯(D.C.H.Florance)證明散射后的二次射線決定于散射角度，與散射物的材料無關(guān)，而且散射角越大，吸收系數(shù)也越大1913年，麥克基爾大學(xué)的格雷（J.A.Gray）又重做γ射線實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了弗羅蘭斯的結(jié)論并進(jìn)一步精確測(cè)量了射線強(qiáng)度1919年康普頓:測(cè)定了γ射線的波長(zhǎng)，確定了散射后波長(zhǎng)變長(zhǎng)康普頓自制的X射線分光計(jì)用鉬的Kα線經(jīng)石墨晶體散射后，用游離室測(cè)量不同方位的散射強(qiáng)度理論解釋：（1）最初的解釋：J.J湯姆孫電子散射——熒光輻射——碰撞（2）1923年5月的《物理評(píng)論》A.H.康普頓以《X射線受輕元素散射的量子理論》成功解釋（3）德拜也發(fā)表了早已準(zhǔn)備好的論文（4）杜安的反對(duì)（5）吳有訓(xùn)的貢獻(xiàn)：吳有訓(xùn)對(duì)康普頓效應(yīng)的進(jìn)一步研究和檢驗(yàn)有很大貢獻(xiàn)，除了針對(duì)杜安的否定作了許多有說服力的實(shí)驗(yàn)外，還證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性（6）愛因斯坦貢獻(xiàn)：多次宣傳支持康普頓的量子解釋吳有訓(xùn):1897年4月2日出生，江西高安人。物理學(xué)家。1920年畢業(yè)于南京高等師范學(xué)校。1926年獲美國(guó)芝加哥大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。1948年選聘為中央研究院院士。中國(guó)科學(xué)院研究員、副院長(zhǎng)，中國(guó)物理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。主要從事近代物理學(xué)特別是X射線散射光譜方面的研究工作，是中國(guó)開展近代物理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的先驅(qū)者之一。20年代在康普頓的X射線散射研究中進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，為康普頓效應(yīng)的進(jìn)一步確立和公認(rèn)作出了部分重要工作。1955年選聘為中國(guó)科學(xué)院院士（學(xué)部委員）。1977年11月30日于北京去世?？灯疹D最初發(fā)表的論文只涉及一種散射物質(zhì)（石墨），為了證明這一效應(yīng)的普遍性，吳有訓(xùn)在康普頓的指導(dǎo)下，做了７種物質(zhì)的Ｘ射線散射曲線，證明只要散射角相同，不同物質(zhì)散射的效果都一樣。1925年吳有訓(xùn)以《康普頓效應(yīng)》的論文獲得博士學(xué)位。三、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期1．激光理論的建立過程（1）愛因斯坦提出受激輻射概念1916年愛因斯坦首先提出了受激輻射的概念在德文《物理學(xué)年鑒》發(fā)表《輻射的量子理論》上論述了輻射的兩種形式：自發(fā)輻射和受激輻射光子與分子間的兩種相互作用：能量交換和動(dòng)量交換但沒有想到利用受激輻射來實(shí)現(xiàn)光的放大。（2）負(fù)色散的研究1900年特魯?shù)拢≒.Drude）由電磁理論建立色散理論1926—1930年拉登堡做了一系列實(shí)驗(yàn)，研究氖的色散，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流超過100毫安色散系數(shù)開始下降1940年蘇聯(lián)物理學(xué)家在做博士論文時(shí)注意到了負(fù)吸收（3）磁共振的研究1946年瑞世布洛赫（F.Bloch）（1952年與珀賽爾（E.M.Purcell）共獲諾貝爾物理獎(jiǎng)）在斯坦福大學(xué)研究核磁感應(yīng)觀察到了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的信號(hào)1947年蘭姆（W.E.Lamb,jr.）和雷瑟福（R.C.Retherford）提出通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)輻射（即受激輻射）。1948年珀賽爾有意識(shí)地研究了磁場(chǎng)中各子能級(jí)的集居數(shù)。1951年他和合作者第一次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，觀察到了負(fù)吸收。1949年，法國(guó)物理學(xué)家卡斯特勒（A.Kastler）發(fā)展了光泵方法，為此他獲得了1971年諾貝爾物理獎(jiǎng)。所謂光泵，實(shí)際上就是利用光輻射改變?cè)幽芗?jí)集居數(shù)的一種方法。他原來的目的是要建立一種用光探測(cè)磁共振的精密測(cè)量方法，沒有想到可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，更沒有想通過這一途徑進(jìn)行光的放大。2.激光器的發(fā)明（1）微波激射器的發(fā)明湯斯在二次大戰(zhàn)期間在貝爾實(shí)驗(yàn)室從事雷達(dá)工作，實(shí)驗(yàn)室安排他為美國(guó)空軍研制頻率為24GHz的雷達(dá)，他觀察的這一頻率的輻射極易被大氣中的水蒸汽吸收，因此這樣高的頻率對(duì)雷達(dá)是不適宜的結(jié)果儀器做出來了，軍事上毫無價(jià)值，卻成了湯斯手中極為有利的實(shí)驗(yàn)裝置，達(dá)到當(dāng)時(shí)從未有過的高頻率和高分辨率。1951年春天在華盛頓參加一個(gè)毫米波會(huì)議時(shí)與肖洛（A.L.Schawlow）同住一個(gè)房間。清晨在公園旁的長(zhǎng)凳上坐下，思考是什么原因沒有制成（毫米波發(fā)生器），幾分鐘內(nèi)我就草擬好了方案，并計(jì)算出下列過程的條件返回哥倫比亞，召集博士后齊格爾（H.J.Zeiger）（他離開后中國(guó)學(xué)生王天接替）和博士生戈登（J.P.Gordon）等按他的新方案工作，選擇氨分子作為激活介質(zhì)，歷經(jīng)兩年的試驗(yàn)，花費(fèi)了近3萬美元。1953年研制出第一臺(tái)微波激射器（“微波激射放大器”）（2）激光的設(shè)想湯斯和肖洛1958年12月在《物理評(píng)論》發(fā)表激光器的詳細(xì)方案，湯斯因此于1964年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。肖洛開始研究把紅寶石當(dāng)作工作介質(zhì)的激光器。他對(duì)固體器件很有信心，認(rèn)為：“在氣體中所作到的任何事情，在固體中都能做得更好?！钡撬诠ぷ髦蟹噶艘粋€(gè)錯(cuò)誤，誤以為紅寶石的R線（即6934?與6929?）不適于產(chǎn)生激光*查爾斯·哈德·湯斯，美國(guó)物理學(xué)家1915年7月28日生于南卡羅來納州格林維爾父親是律師1935年以人成等成績(jī)畢業(yè)于故鄉(xiāng)的福曼大學(xué)在杜克大學(xué)獲得碩士學(xué)位1939年在加利福尼亞理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。1939年進(jìn)入貝實(shí)驗(yàn)室從事雷達(dá)投彈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1948年進(jìn)入哥倫亞大學(xué)物理系。1950年起在那里就任正教授。1953年12月制成了“受激輻射微波放大”1964年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)激光之父——阿瑟·肖洛1921年5月5日出生在美國(guó)紐約州的弗農(nóng)山1924年全家遷往加拿大，在多倫多念完小學(xué)和中學(xué)1937年進(jìn)入多倫多大學(xué)學(xué)物理憑著獎(jiǎng)學(xué)金讀完了大學(xué)課程1941年畢業(yè)，1945年重返多倫多大學(xué)讀研究生1949年肖洛獲博士學(xué)位1955年與湯斯合著《微波光譜學(xué)》1958年與湯斯合寫了一篇關(guān)于激光的論文，刊登在美國(guó)《物理評(píng)論》1976年他創(chuàng)立的高分辨激光光譜學(xué)1978年肖洛的研究小組用他發(fā)明的偏振光譜法測(cè)出了里德堡常數(shù)。1981年12月10日獲諾貝爾物理獎(jiǎng)（3）梅曼發(fā)現(xiàn)了激光器1960年33歲的梅曼是美國(guó)休斯（Hughes）研究實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人，做微波激射器的研究工作，并發(fā)現(xiàn)了紅寶石微波激射器。（以他多年的經(jīng)驗(yàn)預(yù)感到紅寶石作為激光器的可能性，具有能級(jí)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度比較高，體積小巧，無需低溫冷卻等優(yōu)點(diǎn)。但是，當(dāng)時(shí)他從文獻(xiàn)上知道紅寶石的量子效率很低，例如：外德爾（I.Weider）在1959年曾報(bào)導(dǎo)過，量子熒光效率也許僅為1%沒有實(shí)用價(jià)值，梅曼尋找其他材料和類似的材料來代替它，測(cè)量得其熒光效率竟是75%，決定用紅寶石做激光元件）西奧多·哈羅德·梅曼（TheodoreHarold"Ted"Maiman）1927年7月11日生于加州洛杉磯，是一個(gè)電氣工程師的兒子。1949年從科羅拉多大學(xué)碩士畢業(yè)后，梅曼來到斯坦福大學(xué)攻讀博士研究生1951年他又獲得了斯坦福大學(xué)的電子工程學(xué)碩士學(xué)位1955年獲得博士學(xué)位他的導(dǎo)師拉姆獲1955年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1955年后在同一所學(xué)校進(jìn)修至哲學(xué)博士1960年5月16日，梅曼利用這臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生出了脈沖相干光1960年7月7日在曼哈頓的新聞發(fā)布會(huì)上當(dāng)眾運(yùn)行了這一設(shè)備1962年離開休斯公司成立了Korad公司并擔(dān)任董事會(huì)主席，開發(fā)更多的激光設(shè)備1968年公司被聯(lián)合碳化物（UnionCarbide）公司收購(gòu)之后，他又成立了梅曼伙伴公司（MaimanAssociates），提供激光方面的顧問服務(wù)1972年他以副總裁的身份成立了一家名為激光錄像的公司。1976年，他受聘于TRW電子公司，擔(dān)任副總裁一職2007年5月5日，梅曼因肥大細(xì)胞增生病逝世于溫哥華激光發(fā)展過程1917年愛因斯坦提出“受激發(fā)射”理論1953年美國(guó)物理學(xué)家CharlesTownes發(fā)明微波受激發(fā)射放大（maser）1957年Townes的博士生GordonGould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個(gè)單詞1960年美國(guó)加州休斯實(shí)驗(yàn)室的Maiman實(shí)現(xiàn)了第一束激光1961年激光首次在外科手術(shù)中用于殺滅視網(wǎng)膜腫瘤。1962年發(fā)明半導(dǎo)體二極管激光器1969年激光用于遙感勘測(cè)，激光被射向阿波羅１１號(hào)放在月球表面的反射器，測(cè)得的地月距離誤差在幾米范圍內(nèi)1971年激光用于舞臺(tái)光影效果，以及激光全息攝像英國(guó)籍匈牙利裔物理學(xué)家DennisGabor憑借對(duì)全息攝像的研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)1974年第一個(gè)超市條形碼掃描器出現(xiàn)1975年IBM投放第一臺(tái)商用激光打印機(jī)1978年飛