《认识光和电》PPT课件.ppt

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1、第六章第六章 认识电与光认识电与光世界无处世界无处不用电不用电主要内容主要内容介绍光的微粒说与波动说的建立与斗争介绍光的微粒说与波动说的建立与斗争 介绍光速的测量与介绍光速的测量与“约定论约定论”简介电磁学实验规律与理论的建立简介电磁学实验规律与理论的建立 简介波粒二象性简介波粒二象性 简介激光简介激光 牛顿对光的颜色理论有什么贡献？牛顿对光的颜色理论有什么贡献？双缝干涉实验的光为什么必须来自同一光源？双缝干涉实验的光为什么必须来自同一光源？如何理解真空中的光速值是一个如何理解真空中的光速值是一个“约定约定”？从法拉第与麦克斯韦的成功，你悟出了什么道理？从法拉第与麦克斯韦的成功，你悟出了什么道

2、理？最基本的电磁规律有哪些？什么实验启发麦克斯韦最基本的电磁规律有哪些？什么实验启发麦克斯韦推测光波就是电磁波推测光波就是电磁波?思考题思考题 生活在生活在16001600年前后的英国哲学家培根有一句名年前后的英国哲学家培根有一句名言：言：“知识就是力量知识就是力量”。他在。他在“新大西岛新大西岛”一书中，一书中，假想了一个科学技术高度发达的理想王国，该王国由假想了一个科学技术高度发达的理想王国，该王国由居住在居住在“所罗门宫所罗门宫”的一批科学家管理。的一批科学家管理。1 1 光的微粒说压倒波动说光的微粒说压倒波动说培根培根 几十年后，英国学者们就模仿几十年后，英国学者们就模仿“所罗门宫所罗

3、门宫”自发成自发成立了一个立了一个“无形学院无形学院”，它完全是一个民间组织，学者们，它完全是一个民间组织，学者们定期举行聚会，进行科学交流定期举行聚会，进行科学交流和探讨。和探讨。16631663年，年，“无形学院无形学院”被英王查理二世正式承认，成被英王查理二世正式承认，成为为英国英国“皇家学会皇家学会”。皇家学会皇家学会 胡克以发现弹性定律而著称于世。他同时也是光的波胡克以发现弹性定律而著称于世。他同时也是光的波动说的最早倡议人之一。在胡克之前，笛卡儿就主张光的动说的最早倡议人之一。在胡克之前，笛卡儿就主张光的波动波动说，他认为光是一种说，他认为光是一种“压力压力”，在完全弹性的，在完全

4、弹性的“以太以太”中传播，传播速度为无中传播，传播速度为无 穷大。胡克则明确提出穷大。胡克则明确提出 光是一种在媒质中传播光是一种在媒质中传播 的的“振动振动”，类似于水，类似于水 波。波。光类似水波光类似水波 牛顿牛顿不同意胡克和惠更斯的波动说，他认为不同意胡克和惠更斯的波动说，他认为光不是波光不是波动，而是微粒（光子）。光子从光源射出，进入观测者眼动，而是微粒（光子）。光子从光源射出，进入观测者眼睛，传递过来睛，传递过来的是实实在在的是实实在在的微粒流，光的微粒流，光传递是真实的传递是真实的物质传递。物质传递。微粒说微粒说 牛顿的微粒说能够解释牛顿的微粒说能够解释光的直线传播、反射、折射光

5、的直线传播、反射、折射等现象。而且不存在上述波等现象。而且不存在上述波动说的某些动说的某些“困难困难”。牛顿。牛顿继承了笛卡尔、胡克与巴罗继承了笛卡尔、胡克与巴罗等人对彩虹、棱镜和光学仪等人对彩虹、棱镜和光学仪器的研究，探讨了器的研究，探讨了光的色散光的色散现象现象。光的色散光的色散 重大的转折发生在重大的转折发生在18011801年，那一年托马斯年，那一年托马斯 杨完成杨完成了光的双缝干涉实验，干涉现象是微粒说无论如何无了光的双缝干涉实验，干涉现象是微粒说无论如何无法解释的，波动说终于战胜了微粒说。法解释的，波动说终于战胜了微粒说。2 2 光的波动说战胜微粒说光的波动说战胜微粒说托马斯杨托马

6、斯杨 托马斯托马斯杨杨先当医生，研究视觉，发现了眼睛散光的先当医生，研究视觉，发现了眼睛散光的原因，转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验。他认识原因，转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验。他认识到光是横波，并提出了颜色的三色原理。到光是横波，并提出了颜色的三色原理。杨氏双缝实验杨氏双缝实验 由于牛顿在学术界的崇高威望，神童托马斯由于牛顿在学术界的崇高威望，神童托马斯 杨振兴波杨振兴波动说的努力并非一帆风顺。托马斯动说的努力并非一帆风顺。托马斯 杨在杨在18011801年的论文中指年的论文中指出了做成双缝干涉实验的一个关键：相互干涉的两束光虽出了做成双缝干涉实验的一个关键：相互干涉的两束光虽然来

7、自然来自S S1 1、S S2 2两个不同的缝，但它们必须产生自同一个光两个不同的缝，但它们必须产生自同一个光源。源。杨氏双缝实验杨氏双缝实验 后来的研究表明，相互干涉的光必须有相同的后来的研究表明，相互干涉的光必须有相同的频率、频率、相同的偏振和相对稳定的位相差，来自不同光源的光往往相同的偏振和相对稳定的位相差，来自不同光源的光往往做不到这点，因此必须用同一光源的光。近代的研究指出做不到这点，因此必须用同一光源的光。近代的研究指出了更为深刻的原因：干涉是一个光子自身与自身相干。同了更为深刻的原因：干涉是一个光子自身与自身相干。同一个光子不可能来自不同的光源，所以干涉实验中采用来一个光子不可能

8、来自不同的光源，所以干涉实验中采用来自同一光源的光是一个必要条件。自同一光源的光是一个必要条件。杨氏双缝实验杨氏双缝实验 与此同时，法国物理学家菲涅与此同时，法国物理学家菲涅尔也独立地对光的波动说做出了贡献。尔也独立地对光的波动说做出了贡献。菲涅尔可不是神童，相反他是一个显菲涅尔可不是神童，相反他是一个显得迟钝的孩子，身体也不好，还曾因得迟钝的孩子，身体也不好，还曾因反对拿破仑蹲过一段时间监狱。他靠反对拿破仑蹲过一段时间监狱。他靠着自己的刻苦努力走进了科学的殿堂。着自己的刻苦努力走进了科学的殿堂。波粒二相性波粒二相性 泊松用菲涅尔理论计算了当一个小圆盘阻挡在光路泊松用菲涅尔理论计算了当一个小圆

9、盘阻挡在光路上的时候的衍射图像，他得到一个惊人的结果：当小盘上的时候的衍射图像，他得到一个惊人的结果：当小盘与屏幕的间距为某一值时，小盘在屏幕上的暗影的中心与屏幕的间距为某一值时，小盘在屏幕上的暗影的中心会出现一个明会出现一个明显的亮点。这显的亮点。这怎么可能呢？怎么可能呢？泊松武断地认泊松武断地认为：这一为：这一“荒荒谬谬”结果说明结果说明菲涅尔的波动菲涅尔的波动理论完全错误。理论完全错误。阿拉果决定做阿拉果决定做实验检验实验检验一下，结果暗影的中心真的出一下，结果暗影的中心真的出现了亮点，菲涅尔理论完全正现了亮点，菲涅尔理论完全正确！这一成就震惊了学术界。确！这一成就震惊了学术界。后人把这

10、一亮点戏剧性地称为后人把这一亮点戏剧性地称为“泊松亮点泊松亮点”。不过，这一亮。不过，这一亮点也确实是泊松首先用菲涅尔点也确实是泊松首先用菲涅尔理论算出的。理论算出的。泊松亮斑泊松亮斑 在惠更斯时代，有一位叫罗默在惠更斯时代，有一位叫罗默的人通过对木星卫星的观测，测出的人通过对木星卫星的观测，测出了光的传播速度。他于了光的传播速度。他于16761676年测得年测得的光速约为的光速约为2020万千米万千米/秒，虽然误差秒，虽然误差很大，但毕竟数量级正确。很大，但毕竟数量级正确。3 3 光速的测定与约定光速的测定与约定罗默罗默 罗默是通过木卫（木星卫星）被木罗默是通过木卫（木星卫星）被木星遮挡而出

11、现的卫星蚀现象来估算光速星遮挡而出现的卫星蚀现象来估算光速的。他首先注意到不同日期观测到的木的。他首先注意到不同日期观测到的木卫蚀现象，存在时间差，他认为这是由卫蚀现象，存在时间差，他认为这是由于不同日期地球在公转轨道上的位置不于不同日期地球在公转轨道上的位置不同，造成到木星的距离不同，只要光速同，造成到木星的距离不同，只要光速不是无限大，这一距离差就将导致光从不是无限大，这一距离差就将导致光从木星传播到地球的时间产生一个差值。木星传播到地球的时间产生一个差值。罗默测定罗默测定光速方法光速方法 罗默认为，观测木卫蚀现象的罗默认为，观测木卫蚀现象的时间差，是由于光速有限造成的，时间差，是由于光速

12、有限造成的，可以用这一时间差和木地距离差反可以用这一时间差和木地距离差反过来测定光速。他经过仔细计算，过来测定光速。他经过仔细计算，预言即将发生的一次木卫蚀现象会预言即将发生的一次木卫蚀现象会推迟推迟1010分钟。分钟。木星卫星木星卫星 在科学史上迈克耳孙以实验精密而著称。他采用旋转在科学史上迈克耳孙以实验精密而著称。他采用旋转棱镜法测光速，两个凹面镜分置棱镜法测光速，两个凹面镜分置于相距于相距3535公里的两座山上。他的公里的两座山上。他的上述测量值已非常接近今天的公上述测量值已非常接近今天的公认值。目前国际上公认的光速值认值。目前国际上公认的光速值是是19731973年测定的，为年测定的，

13、为2.99792458102.99792458108 8 米米/秒。秒。1983 1983年国际科技数据委员会又反过来用真空中的光速年国际科技数据委员会又反过来用真空中的光速定义距离，规定光在秒内走过的距离为定义距离，规定光在秒内走过的距离为1 1米。米。19861986年又年又规定规定19731973年测定的光速值为精确值，于是真空中的光速值从此年测定的光速值为精确值，于是真空中的光速值从此以后不再变动。以后不再变动。光速光速 人类对电和磁的认识可以追溯到人类对电和磁的认识可以追溯到2 2千多年前。古代的千多年前。古代的中国人和希腊人早就知道静电现象中国人和希腊人早就知道静电现象,知道磁石的

14、吸引和排知道磁石的吸引和排斥现象。中国发明的指斥现象。中国发明的指南针就是一个证明。然南针就是一个证明。然而而,对电和磁进行科学、对电和磁进行科学、系统的研究系统的研究,则是在文则是在文艺复兴开始之后。艺复兴开始之后。4 4 法拉第与电磁感应法拉第与电磁感应指南针指南针 1600 1600年前后年前后,英国医生吉尔伯特对磁和电作了初步的英国医生吉尔伯特对磁和电作了初步的科学研究科学研究,他指出任何磁体都同时存在两极他指出任何磁体都同时存在两极,没有单磁极存没有单磁极存在。他发现了铁的磁化现象。吉尔伯特还正确地指明在。他发现了铁的磁化现象。吉尔伯特还正确地指明,地地球是一个大磁体。球是一个大磁体

15、。他研究了摩擦起电现他研究了摩擦起电现象象,发明了第一个验电器。发明了第一个验电器。英文中电这个词英文中电这个词,就是吉就是吉尔伯特最先提出的尔伯特最先提出的,它来它来自希腊文自希腊文“琥珀琥珀”一词的一词的译音译音,这是由于古代最早这是由于古代最早的摩擦起电实验的摩擦起电实验,就是希就是希腊人用琥珀做的。腊人用琥珀做的。琥珀琥珀 对电磁学贡献最大的人当数英国的法拉第。他出身对电磁学贡献最大的人当数英国的法拉第。他出身在一个铁匠的家在一个铁匠的家庭庭,由于贫困和由于贫困和语音上的缺陷语音上的缺陷,受到老师嘲笑的受到老师嘲笑的小法拉第被迫离小法拉第被迫离开了学校。他开了学校。他1212岁开始在街

16、上卖岁开始在街上卖报报,送报送报,13,13岁岁到一家书店作装到一家书店作装订学徒工。订学徒工。法拉第特别喜欢阅读自然科学方面的书籍法拉第特别喜欢阅读自然科学方面的书籍,从不放从不放过任何一本经他手装订的这类书籍。他利用几乎所有的空过任何一本经他手装订的这类书籍。他利用几乎所有的空闲时间拼命地读书闲时间拼命地读书,如饥似渴地吸取着书中的知识。虽然如饥似渴地吸取着书中的知识。虽然 他没有机会上学他没有机会上学,书籍就是他最书籍就是他最 好的学校好的学校,正是这段时间的勤奋正是这段时间的勤奋 阅读阅读,使他走上了成才之路。使他走上了成才之路。法拉第法拉第 有一天有一天,法拉第在大街上看到举办法拉第

17、在大街上看到举办“自然科学讲自然科学讲座座”的公告的公告,非常兴奋非常兴奋,在一年多的时间内在一年多的时间内,举办了十举办了十几次讲座几次讲座,法拉第场场不落。他精心作笔记法拉第场场不落。他精心作笔记,运用自己运用自己的装订手艺的装订手艺,配上插图配上插图,把笔记装订成一本把笔记装订成一本“讲演录讲演录”。戴维教授是当时最有魅力的科学家戴维教授是当时最有魅力的科学家,也是将科学传也是将科学传播给大众的首创者。由于他个人的魅力和极为出色的口才播给大众的首创者。由于他个人的魅力和极为出色的口才,将深奥枯燥的科学理论用生动通俗的语言描绘出来将深奥枯燥的科学理论用生动通俗的语言描绘出来,使得使得普通民

18、众听起来兴致盎然。普通民众听起来兴致盎然。戴维教授轻松而透彻的精彩戴维教授轻松而透彻的精彩报告报告,深深折服了法拉第的心。这深深折服了法拉第的心。这个年青的钉书匠个年青的钉书匠,从此下决心献身从此下决心献身于科学。的确于科学。的确,他没有进过中学和他没有进过中学和大学大学,甚至小学都没有上完。他也甚至小学都没有上完。他也没有钱没有钱,只是一个下等阶层的钉书只是一个下等阶层的钉书匠。但是他有才华匠。但是他有才华,有对科学执著有对科学执著的爱的爱,特别是有奋斗的决心和坚忍特别是有奋斗的决心和坚忍不拔的毅力不拔的毅力,他有勇气克服一切困他有勇气克服一切困难去敲开科学的大门。难去敲开科学的大门。法拉第

19、法拉第 法拉第精心整理了法拉第精心整理了戴维讲演的笔记戴维讲演的笔记,装订出装订出一本封面烫金字的一本封面烫金字的戴维戴维爵士讲演录爵士讲演录。他用这本。他用这本讲演录讲演录作为敲门砖作为敲门砖,寄给了戴维爵士寄给了戴维爵士,戴维收戴维收到后大为惊讶到后大为惊讶,深受感动深受感动的戴维的戴维,接受了法拉第的接受了法拉第的请求请求,让他充当自己的助让他充当自己的助手。手。在皇家学院在皇家学院,法拉第十分珍惜这个来之不易的机会法拉第十分珍惜这个来之不易的机会,他比任何人都勤奋。洗瓶子、擦地板他比任何人都勤奋。洗瓶子、擦地板,把实验室收拾得干、把实验室收拾得干、干净净、井井有条。他干净净、井井有条。

20、他 很快就掌握了基本的实很快就掌握了基本的实 验技能验技能,不久之后不久之后,他他 不仅能帮戴维做实验不仅能帮戴维做实验,而且能帮戴维出主意。而且能帮戴维出主意。1813 1813年年,法拉第法拉第随随戴维夫妇戴维夫妇访问欧洲访问欧洲大陆。在两年多的时大陆。在两年多的时间中间中,他们拜访欧洲他们拜访欧洲各国许多著名的学者各国许多著名的学者,参观了不少知名的实参观了不少知名的实验室验室,使法拉第眼界使法拉第眼界大开。大开。1831 1831年年,在实验屡遭挫折之在实验屡遭挫折之后后,法拉第终于取得了重大突破法拉第终于取得了重大突破,发现了电磁感应现象发现了电磁感应现象,制造出世界制造出世界上第一

21、台上第一台“发电机发电机”。当时人们还。当时人们还认识不到这一发现的划时代意义。认识不到这一发现的划时代意义。法拉第在皇家学会报告自己的发现法拉第在皇家学会报告自己的发现时时,居然有人问道居然有人问道,这一发现有什这一发现有什么用么用?法拉第反问他：新生的婴儿法拉第反问他：新生的婴儿有什么用有什么用?发电机发电机 此后此后,法拉第又发现了法拉第又发现了电解定律电解定律,自感现象自感现象,磁光磁光效应效应,物质的抗磁性等等。物质的抗磁性等等。他还提出了电力线和磁力线他还提出了电力线和磁力线的理论，正是这一理论引导的理论，正是这一理论引导麦克斯韦建立起电磁场论的麦克斯韦建立起电磁场论的大厦。大厦。

22、毫无疑问法拉第是那个时代最伟大的物理学家毫无疑问法拉第是那个时代最伟大的物理学家,他的他的老师戴维说：老师戴维说：“我一生中最重要的发现我一生中最重要的发现,就是发现了就是发现了法拉第法拉第”。法拉第从一个卑微的童工法拉第从一个卑微的童工,历尽千辛万苦历尽千辛万苦,忍受种忍受种种屈辱种屈辱,终于成长为那个时代最伟大的科学家。在他取终于成长为那个时代最伟大的科学家。在他取得重大成就而名扬四海之时得重大成就而名扬四海之时,法拉第却拒绝了滚滚而来法拉第却拒绝了滚滚而来的金钱和荣誉的金钱和荣誉。法拉第法拉第 在法拉第发现电磁感应定律的在法拉第发现电磁感应定律的18311831年年,另一位伟大的另一位伟

23、大的物理学家麦克斯韦出生在苏格兰物理学家麦克斯韦出生在苏格兰,麦克斯韦的父亲是一位麦克斯韦的父亲是一位知识渊博、兴趣广泛、多才多艺的人。他不仅是一位律师知识渊博、兴趣广泛、多才多艺的人。他不仅是一位律师,还是一位工程师、发明家。他是儿子的科学启蒙导师还是一位工程师、发明家。他是儿子的科学启蒙导师,对对儿子的一生产生了很大影响。儿子的一生产生了很大影响。5 5 麦克斯韦与电磁理论麦克斯韦与电磁理论麦克斯韦方程麦克斯韦方程 上中学时上中学时,班里的同学都看不班里的同学都看不起起固执而孤僻固执而孤僻的麦克斯韦的麦克斯韦,给他起给他起了个绰号叫了个绰号叫“傻瓜傻瓜”,使他非常恼使他非常恼火。三年后火。

24、三年后,在一场数学和诗歌比在一场数学和诗歌比赛中赛中,麦克斯韦一举夺得两项第一麦克斯韦一举夺得两项第一,大大出乎同学们的意外大大出乎同学们的意外,从此再没从此再没有人敢歧视他了。有人敢歧视他了。麦克斯韦麦克斯韦1919岁进入剑桥大学学习。这是一所不断涌现岁进入剑桥大学学习。这是一所不断涌现科学明星的大学科学明星的大学,牛顿和达尔文都毕业于此。在这里牛顿和达尔文都毕业于此。在这里,麦麦克斯韦选择物理学作为自己终生奋斗的领域。他很快就在克斯韦选择物理学作为自己终生奋斗的领域。他很快就在数学上显示出极高的才华数学上显示出极高的才华,毕业后留校工作毕业后留校工作,致力于法拉致力于法拉第电磁实验的理论研

25、究第电磁实验的理论研究,并选择了法拉第的电力线学说作并选择了法拉第的电力线学说作 为自己的主攻方向。为自己的主攻方向。经过几年的努力经过几年的努力,他得到了后来以他的名字命名的电他得到了后来以他的名字命名的电磁方程组磁方程组,建立起正确、完整的电磁场论，他还推出了电建立起正确、完整的电磁场论，他还推出了电磁场的波动方程磁场的波动方程,从理论上预言了电磁波的存在。麦克斯从理论上预言了电磁波的存在。麦克斯韦证明电磁波在真空中的传播速度为韦证明电磁波在真空中的传播速度为 麦克斯韦则据此大胆猜测电磁波的速度就是光速麦克斯韦则据此大胆猜测电磁波的速度就是光速c c。从而指出光波就是电磁波。从而指出光波就

26、是电磁波。18871887年赫兹用实验证年赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出它的传播速度就是光速，实了电磁波的存在，并测出它的传播速度就是光速，支持了麦支持了麦克斯韦的克斯韦的电磁理论。电磁理论。麦克斯韦电磁方程组麦克斯韦电磁方程组,是所有电磁学定律的简明优是所有电磁学定律的简明优 美的总结美的总结,是是 整个电磁学和整个电磁学和 光学的基础。光学的基础。因此，人们长因此，人们长 期主要用麦克期主要用麦克 斯韦方程组来斯韦方程组来 描述电磁规律。描述电磁规律。麦克斯韦方程麦克斯韦方程 有趣的是，有趣的是，麦克斯韦电磁理论当年是运用介质麦克斯韦电磁理论当年是运用介质的弹性的弹性学说导出的学说导

27、出的。麦克斯韦从介质。麦克斯韦从介质“分子蜗旋分子蜗旋”形变导致的弹形变导致的弹性性质得出了电磁方程组。他把性性质得出了电磁方程组。他把“电力电力”归结为分子蜗旋归结为分子蜗旋形变的弹性势能，磁力归结为转动动能。形变的弹性势能，磁力归结为转动动能。法拉第和法拉第和麦克斯韦麦克斯韦等人创立的电磁理论等人创立的电磁理论,导致了发导致了发 电机、电动电机、电动 机、电灯和机、电灯和 电子技术的电子技术的 出现出现,人类人类 文明从此进文明从此进 入了电磁时入了电磁时 代。代。麦克斯韦电磁理论不仅是电磁学的理论基础，而且是麦克斯韦电磁理论不仅是电磁学的理论基础，而且是光学的理论基础。在麦克斯韦理论的基

28、础上，波动光学取光学的理论基础。在麦克斯韦理论的基础上，波动光学取得了长足的进展。整个得了长足的进展。整个1919世纪，光的波动理论都占据着统世纪，光的波动理论都占据着统治地位，牛顿的微粒说几乎已被治地位，牛顿的微粒说几乎已被学术界淡忘。然而，学术界淡忘。然而，19001900年，新年，新世纪降临之际，一次伟大的变革世纪降临之际，一次伟大的变革出现了。出现了。6 6 波粒二相性波粒二相性 当时人们已经知道，热辐射和光辐射本质上都是电磁当时人们已经知道，热辐射和光辐射本质上都是电磁波，只不过波长不同而已。为波，只不过波长不同而已。为了从理论上解释热辐射能量分了从理论上解释热辐射能量分布的实验曲线

29、，德国物理学家布的实验曲线，德国物理学家普朗克提出了量子说（详见第普朗克提出了量子说（详见第7 7章）。这一理论认为，原子章）。这一理论认为，原子在吸收或发射热辐射（电磁波）在吸收或发射热辐射（电磁波）时，能量不是连续的而是一份时，能量不是连续的而是一份一份的。一份的。普朗克普朗克 爱因斯坦进一步提出光量子说，认为热辐爱因斯坦进一步提出光量子说，认为热辐射和光辐射和光辐射（即电磁波）不仅在原子吸收和发射它们的时候是射（即电磁波）不仅在原子吸收和发射它们的时候是一份一份的，而且它们在空间传播时也是一份一份的。一份一份的，而且它们在空间传播时也是一份一份的。这就是说电磁波是由一粒一粒的光量子组成的

30、，牛顿这就是说电磁波是由一粒一粒的光量子组成的，牛顿提出的光的微粒说似乎又复活了。提出的光的微粒说似乎又复活了。普朗克用量子说成功地解释了黑体辐射（热辐普朗克用量子说成功地解释了黑体辐射（热辐射），射），爱因斯坦用光量子说成功地解释了光电效应，光量子理论爱因斯坦用光量子说成功地解释了光电效应，光量子理论得到了实验的有力支持，而他们都因这方面的成就分别获得到了实验的有力支持，而他们都因这方面的成就分别获得了诺贝尔物理奖。得了诺贝尔物理奖。干涉和衍射表明光是波，黑体辐射和光电干涉和衍射表明光是波，黑体辐射和光电效应又表效应又表明光是粒子。那么，光究竟是波还是粒子呢？研究表明光是粒子。那么，光究竟是

31、波还是粒子呢？研究表明，光既是波又是粒子，它的运动方式显示波动性，明，光既是波又是粒子，它的运动方式显示波动性，与实物相互作用时又显示粒子性，这就是光的波粒二与实物相互作用时又显示粒子性，这就是光的波粒二象性。象性。波粒二相性波粒二相性 经过长经过长时间的实时间的实验探索和理论争论之验探索和理论争论之后，学术界比较一致后，学术界比较一致的看法是，光波是几的看法是，光波是几率波，它描述光子在率波，它描述光子在空间不同位置及不同空间不同位置及不同状态出现的概率。状态出现的概率。干涉现象并非是大量光子相互之间影响而造成干涉现象并非是大量光子相互之间影响而造成的。干涉是的。干涉是一个一个光子自身与自身

32、干涉。在双缝干涉光子自身与自身干涉。在双缝干涉中，如果只打开上缝，或只打开下缝，得到的都是单中，如果只打开上缝，或只打开下缝，得到的都是单缝衍射图。如果先打开上缝关闭下缝，然后关闭上缝缝衍射图。如果先打开上缝关闭下缝，然后关闭上缝只打开下缝，得到的是两个单缝衍射图的重叠。只打开下缝，得到的是两个单缝衍射图的重叠。1960 1960年前后，一个叫做年前后，一个叫做“激光激光”的重要科学领域展的重要科学领域展现在世人面前。现在世人面前。“激光激光”的最早理论是爱因斯坦在的最早理论是爱因斯坦在19161916年年提出的。他在研究原子通过能级跃迁而吸收或发射光子的提出的。他在研究原子通过能级跃迁而吸收

33、或发射光子的时候，提出了时候，提出了“受激辐射受激辐射”这一概念。这一概念。7 7 激光激光激光激光 “激光激光”的基础就是受激辐射。的基础就是受激辐射。19581958年，年，肖洛和汤斯肖洛和汤斯预言，当用某些物理手段使大量原子处于上述高能级状预言，当用某些物理手段使大量原子处于上述高能级状态而形成粒子数反转时，如果发生一次自发辐射，有关态而形成粒子数反转时，如果发生一次自发辐射，有关光子就将光子就将“刺激刺激”这批处于激发态的原子，使它们一下这批处于激发态的原子，使它们一下子子从高能级跌落下来，产生出与第一个光子同方向、同频从高能级跌落下来，产生出与第一个光子同方向、同频率、同偏振、同位相

34、的大量光子。这种受激辐射造成的率、同偏振、同位相的大量光子。这种受激辐射造成的光放大，就是光放大，就是“激光激光”。1960 1960年，梅曼（年，梅曼（T.H.T.H.MaimanMaiman）制成了第一台激光）制成了第一台激光器，这是一台红宝石激光器。器，这是一台红宝石激光器。梅曼梅曼 需要说明的是，为了实现粒子数反转，激光的需要说明的是，为了实现粒子数反转，激光的工作物工作物质（如红宝石）需要质（如红宝石）需要存在亚稳能级。作为存在亚稳能级。作为“泵泵”的光源或电源，的光源或电源，把工作物质中的原子把工作物质中的原子激发到激发到“激发态激发态”，激发态通常不稳定，激发态通常不稳定，很快很快“下滑下滑”到较为到较为稳定的亚稳态。稳定的亚稳态。激激光的强光的强度大、单色性度大、单色性好，因而可用好，因而可用于通讯和国防。于通讯和国防。激光器激光器