《光學(xué)與原子物理》任希鋒

1、光學(xué)與原子物理任希鋒光學(xué)與光學(xué)工程系中科院量子信息實(shí)驗(yàn)室辦公室：量子信息樓303 Tel： 3600644Email： 助教 黃少茹老師 徐滕老師光學(xué)第零章 緒論第一章 幾何光學(xué)第二章 光的波動(dòng)模型第三章 光的干涉第四章 光的衍射第五章 光的電磁性第零章 緒論 學(xué)習(xí)光學(xué)的重要性； 光學(xué)講什么？ 光是什么？學(xué)習(xí)光學(xué)的重要性 光(陽光)是生命的源泉。 光是人類認(rèn)識(shí)世界的主要橋梁。人類感官得到的外界信息中，至少90%通過眼睛。 光現(xiàn)象是物理理論的主要發(fā)源地。 光學(xué)應(yīng)用科學(xué)迅猛發(fā)展。 現(xiàn)代光學(xué)是科學(xué)前沿的重要領(lǐng)域。光學(xué)的內(nèi)容與分類 什么是光學(xué)光學(xué)研究光的本性，光的產(chǎn)生、傳播、光與物質(zhì)相互作用以及光在科

2、技中應(yīng)用的科學(xué)。 光學(xué)的內(nèi)容1. 幾何光學(xué)：以光的直線傳播、反射、折射三大實(shí)驗(yàn)定律為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播與成像的規(guī)律2. 波動(dòng)光學(xué)：以Maxwell電磁理論為基礎(chǔ)，研究光的波動(dòng)性、電磁性(主要在宏觀傳播方面)3. 量子光學(xué)：以光的量子理論為基礎(chǔ)，描述光的粒子性(主要表現(xiàn)在發(fā)光機(jī)制及光與物質(zhì)的相互作用方面) 波動(dòng)光學(xué)，量子光學(xué)統(tǒng)稱物理光學(xué)，描述光的本性！ 當(dāng)光場(光波傳播到的整個(gè)區(qū)域)的特征量(能量密度、光強(qiáng)度)h時(shí)， 量子效應(yīng)不明顯波動(dòng)光學(xué)！ 傳播過程中障礙物線度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長幾何光學(xué) 光與物質(zhì)相互作用時(shí)(一個(gè)光子與一個(gè)原子作用)量子光學(xué)光學(xué)的分類1. 光的機(jī)械微粒說與初期波動(dòng)說的斗爭

3、微粒說：光是粒子流(滿足力學(xué)規(guī)律)代表人物：Descartes, Newton起因:光的直線傳播-易用自由粒子解釋；光能在真空中傳播-機(jī)械波需要介質(zhì)；牛頓的權(quán)威(機(jī)械論的觀念)光是什么？微粒說對直進(jìn)、反射、折射的解釋:反射：彈性碰撞折射：微粒受界面法向力的作用存在問題：(1)不能解釋當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的干涉現(xiàn)象(牛頓環(huán))(2)得出光密介質(zhì)光速大的錯(cuò)誤結(jié)論波動(dòng)說：光是一種波動(dòng)現(xiàn)象代表人物：Hooke, Huygens理論觀點(diǎn)：光是以太中的振動(dòng)的傳播，以太中每一點(diǎn)可看成次波源起因:二列波的獨(dú)立傳播現(xiàn)象;發(fā)現(xiàn)牛頓環(huán)現(xiàn)象(Hooke發(fā)現(xiàn)，象水波)；Grimalde發(fā)現(xiàn)衍射現(xiàn)象Huygens解釋折射：(Huyg

4、ens原理)缺點(diǎn)：不完善，不能解釋光的直進(jìn)，也不能解釋衍射！重新興起：1801年楊氏(T. Young)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1802年楊用波相干疊加思想解釋雙縫實(shí)驗(yàn)1808年馬呂斯發(fā)現(xiàn)光的偏振給機(jī)械粒子說致命打擊的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：小圓盤衍射水中光速的測定這時(shí)期的主要物理思想是：Young對干涉的解釋和Fresnel對衍射的解釋惠-菲原理！2. 波動(dòng)說的初步確立19世紀(jì)電磁學(xué)迅速發(fā)展，最后麥克斯韋把電磁學(xué)規(guī)律總結(jié)為四個(gè)方程，建立了完整的電磁理論體系。 麥克斯韋斷言，光波=電磁波！后來，赫茲(H. Hertz)用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，并發(fā)現(xiàn)電磁波也有反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象。以后一個(gè)時(shí)期，經(jīng)典光學(xué)以麥?zhǔn)想?/p>

5、磁理論為基礎(chǔ)，解釋了所有關(guān)于光的傳播現(xiàn)象(干涉、衍射、偏振、雙折射等等)，使經(jīng)典光學(xué)達(dá)到相當(dāng)完美的地步。3. 光由類機(jī)械波向光是電磁波的轉(zhuǎn)變以太的否定，電磁波是物質(zhì)波 當(dāng)波動(dòng)說確定后，人們初認(rèn)為光是以太中傳播的類彈性波；但根據(jù)機(jī)械彈性理論研究以太，發(fā)現(xiàn)以太有許多難以想象的性質(zhì)。最根本的：若有以太存在，就有以太絕對靜止系，可以測到以太相對地球的速度。這被實(shí)驗(yàn)證偽。Einstein否定以太。電磁波不需要介質(zhì)。電磁波是物質(zhì)波。1900年，普朗克發(fā)現(xiàn)了黑體輻射公式，并提出了“能量子假說”：物質(zhì)在發(fā)光時(shí)是一份份輻射的1905年，愛因斯坦為解釋光電效應(yīng)，提出“光量子假說”：光是光子流(不但在輻射時(shí)是一份份

6、的，在傳播、吸收時(shí)也是一份份的)康普頓散射：光子與電子作用時(shí)滿足動(dòng)量守恒與能量守恒4. 光的本性具有波粒二象性思想的確立至此，人們不得不承認(rèn)，一方面光在宏觀傳播時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性，另一方面，在光與物質(zhì)相互作用時(shí)，發(fā)生能、動(dòng)量交換時(shí)光有充分顯示出量子化(粒子性)的特征。1924年前后，德布羅意受光的波粒二象性啟發(fā)，提出微觀粒子也具有波粒二象性的大膽假設(shè)，導(dǎo)致量子力學(xué)誕生(微觀粒子的波動(dòng)力學(xué))，后被電子衍射、中子衍射所證實(shí)。5.對量子理論的影響后來海森堡、玻爾、波恩、薛定諤、狄拉克等人創(chuàng)立和發(fā)展了量子力學(xué)20世紀(jì)20-30年代，狄拉克、費(fèi)米等人又在量子力學(xué)基礎(chǔ)上創(chuàng)立了“相對論量子力學(xué)”、“量子場論”、“量子電動(dòng)力學(xué)”，描述基本粒子之間、光子與帶電粒子之間的相互作用。從現(xiàn)象上看 傳播現(xiàn)象主要表現(xiàn)出波動(dòng)性，出現(xiàn)干涉、衍射、偏振等，規(guī)律完全由麥克斯韋電磁理論描述。 光場與物質(zhì)相互作用(包括發(fā)光)主要表現(xiàn)出粒子性，規(guī)律由量子光學(xué)描述。本質(zhì)上 光的動(dòng)力學(xué)行為(光與粒子的相互作用)能、動(dòng)量交換是量子化的，局域的，一次性的，在此意義上，光是光子流。 為何仍可講光是電磁波？光的波粒二象性的簡單理解單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律由電磁理論描述。光很弱時(shí)，光子一個(gè)一個(gè)被探測到，不可能半個(gè)光子(粒子性);少量時(shí)，無規(guī)律，大量光子時(shí)，出現(xiàn)干涉條紋亮度大則光子出