【清華大學】《大學物理》（國家級精品課）下 P19 - 119. 119-教學錄像-光源發光

我們先看一看我們從光的發光特性開始 講這部分干涉的內容 那麼光是怎麼產生的? 實際上我們知道有一部分光 它是從這樣有結構的粒子團裏邊發出來的 你比如說原子、分子或者原子核這樣 這樣裏邊發出來 分子和原子發出來的光 一般是從紅外到X射線都有 而原子核裏邊發出光 我們知道那個叫伽瑪射線 它的能量是照電子伏特量級的 它的波長是大概是1%個原子的長度內 我們雖然說光是電磁波 可是電磁波的頻段覆蓋面是很廣的 大家知道無線電 它波長是幾百米 有的比如說短一點的 比如說我們電磁信號、調頻信號 這些東西大概波長只有1米 或者小於1米 可見光的波長大概多少呢? 0.5個微米左右 然後再比它小的話 那就是到了X射線波段這個時候 它的波長大概跟原子大小差不多 剛纔我說了伽瑪射線就比原子都要小1%左右 那麼這些光通過一種叫做自發輻射的機制輻射出來 什麼叫自發輻射呢? 你比如說我們要研究的現代研究 比如說可見光部分 或者是我們現在這個學期要研究的波動光線內容所涉及到的這些光 你比如說是X射線包括可見光 都是分子和原子發出來的 那麼假如說分子和原子裏邊 根據量子力學 我們沒學過量子學 可是我們知道量子物理裏面有這樣的結論 這樣的分子或者原子或者粒子團 它內部結構有能量 可是這些能量是什麼樣呢? 是量子化的 就它這個能量變化不能連續變化 不像我們輕點的能量 一點一點可以變化 它不能 它是量子化的 所以這個地方有能量 就一個粒子團能量 有可能處於這個能量 也可以處於這個能量 也可以處於其他能量 注意我們沒化 除了這兩個能極以外 其他沒化 其他還有很多能量 我們把能量處於某一個能量狀態的那個地方 那個能量叫做能極 那麼能極就像 你這個粒子團可能處於高的能極 也可能處於低的能極 可是從這一點和經典是一樣的 就是一個系統 它一定要能量最低 它是最穩定的 所以你在高的話 總是要掉到下邊來 可掉的時候 因爲要能量守恆 所以從上掉到下邊來的時候 你這個能量差 通常的情況下就變成了電磁波輻射 就變成了光了 它的頻率 我們中學裏面涉及過 就根據愛因斯坦的公式 它的頻率是H分子這兩個能極差的間隔 H這裏邊就是普朗克常數 就是這樣 所以這個自發輻射是什麼呢 就是你不知道原子核分子 根據碰撞或者什麼原因 它能量從低就變成了高了 那麼回落的時候 因爲它處於能量高的地方 所以它就自動就回來了 自發就回來了 自發輻射 所以從上面回到下面這過程 我們把它叫做躍遷 所以這是過程發出來的光 就是躍遷的時候發出來的光 一般這個發光時間比較短 你說長和短 這是相對概念 從某種角度來說 這個時間是比較長的 如果你比起原子核裏面的發光 或者相對來說 或者是比起原子核裏面一些 或者是原子裏面能極的壽命來說 那麼這個發光時間 當然你這個持續時間 只能是有一個有限時間 不能從上面掉下來 不可能是一直永遠掉下來 它很快就結束了 有這麼一段時間 這麼短時間發出電磁波 它該走多遠呢 光束乘上這個時間 所以我們說這段電磁波 大概有這麼長度 這個叫做波裂的長度 那麼這個波裂長度這個概念 是我們比較形象的一個經典概念 實際上是什麼呢 實際上是約參過程中 發射的是一個光子 是這樣 那現在比較形象的概念 就是有個波裂一段長度 一串波裂發出去了 電磁波 是這樣 那麼這一段呢 這些發出來的光呢 因爲它是從 你光源裏面多數是有 無數個原子或者分子 是不是 所以發出來的光 互相之間都是獨立的 是什麼意思呢 不同的原子間發出來的光 振動方向也好 原子 也許光是從這兒發出去 也許是從這兒發出去 明白這個意思嗎 所以發出來的光的方向 振動方向 振動方向指的就是說電磁波嘛 所以說它是有一個電場 矢量的振動 或磁場矢量的振動 因爲我們說和物質相互作用 比較強的是電場矢量 所以我們在這裏面只討論電場矢量 現在電場矢量有個振動方向 那這個振動方向 某個原子發出來的 另一個原子發出來不一定一樣 對不對 方向不一樣 振動方向不一樣 頻率也不一定一樣 因爲不同的能級之間躍遷的話 發出來的頻率也不一定一樣 振動方向 傳播方向 相位也不一定一樣 所以它們之間的 這個光之間是互相獨立的 沒有任何聯繫的 就是同一個原子發出來的光 如果它是前後不同的時間發出來的 那它們之間也是互相獨立的 沒有聯繫的 你不知道是從哪個能級 躍遷到哪個能級 即使是同一個原子 然後它又被碰撞 又跑到上邊哪個能級 又可以躍遷下來 所以你發出來這些光都是互相獨立的 沒有什麼相干性 沒有相干性 那我們現在給大家舉例一些 我們所熟悉的一些光源 比如說霓虹燈 霓虹燈實際上是 你這個裏面灌了一些多性氣體 多性氣體受到激發以後 它發出來的光 發出來的光各種顏色不一樣 這是跟原子的特性有關係 亞氣還是鮮氣 燈的顏色是不一樣的 另外我們熟悉的日光燈 實際上是那裏面有一些汞原子 汞原子因爲受到高電壓以後 有一些電子跑出來 電子加入打到汞原子上 汞原子被激發 激發的高能級 在躍遷下來的時候 汞原子發出紫外光 紫外光又打到日光燈旁邊 不是熒光粉嗎 熒光物質 然後就發出可見光 就是這樣 另外還有一種就是白赤燈 我們最熟悉的就是一個燈泡 最簡單的那種燈泡 你電以後那裏面一熱就發光 熱發光的時候 白赤燈是熱輻射 這些光都是剛纔我們說的 有無數個原子發出來的 所以說它是非相干光源 它發出來光都是非相干的 那麼關於熱輻射 我可以給大家稍微多講一點 熱輻射就是通常情況下 熱輻射就跟溫度有關係 溫度高了 溫度低了都可能發光 是不是 但是溫度低的時候 溫度低到什麼程度 就比如說我們現在這種常溫 或者比常溫再低一點 都沒關係 都可能發光 什麼呢 什麼發光 就是這些分子 咱們身體比如說是水組成的 大部分是水 可是水分子不是可以轉動嗎 量子力學裏面 這個轉動的能量也不是連續的 它必須是熱學裏面 我們曾經提過 對不對 轉動能級它也是能級 能級之間越線 這個能量很小的 因爲它是轉動能量 這個時候轉動能量之間 這個越線發出來光 就是紅外光 所以我們身體通常情況下 我們都是發出紅外光的 只是我們眼睛看不見 你就在漆黑的時候 如果有紅外探測器的話 你一看人都能看得見 這是你發出紅外光 溫度再高一點 溫度到幾千度的時候 你比如說貼鋼水 鋼水一化 或者鋼水你要是把它加熱的話 鋼不是慢慢變紅嗎 慢慢變紅 然後變鋼水了 那個時候幾千度的時候 先發出來的一些是什麼 就是像振動能級發出來的光 比如說有些分子 它像水分子什麼的 都可以振動的 明白這是什麼 所以振動的時候發出來光 可是振動的時候發出來的光 波段比較高 有的是可以達到可見光的範圍 那麼再高 那分子都解體了 然後實際上是原子的電子能級發光 比如說達到幾萬度 上萬度的時候 就像太陽表面一樣的 那個時候原子什麼都電離了 裏邊都是電子和離子 都封口了 然後這個電子因爲熱運動 它就跑 跑的時候跟別人碰撞 碰撞的時候 它就會有認知輻射 它會加速 你知道嗎 它碰撞不是速度改變嗎 就會認知輻射 就是加速運動的時候會有認知輻射 另外如果這個原子還保持的話 那麼電子激發到高能級 從高能級越線下來 那個時候發出來光 也有的時候 這個光譜是大概在可見光 或者是到紫外這個程度 可以發出紫外這樣 這是熱輻射 跟溫度有關係 還有很多其他發光 比如說化學發光 生物發光 化學發光 大家知道你隨便這個氫氣一點着 它就點着了 就有火 火就發光 是不是藍色的光 這種東西 就是它這裏邊 實際上也是分子發光 燃燒發光是比較複雜的 還有生物發光 比如說比較好看的 就是你們見過 咱們清華那個 你到哪個夏天的時候 你到這個核園 你附近你能看到煙火蟲發光 是不是 煙火蟲那種東西 就是生物體發光 它那裏邊有一些什麼零物質 不知道怎麼特殊 很複雜的化學反應 它就可以發出來光 還有一些像LED 大家比較熟悉的這種 是半導體和固體 它能帶之間的一種發光 能帶 就是說固體和 像有些固體和液體這種 裏邊不是能極 不是一條線 它是一條能量 能量是一條帶 你知道嗎 所以它就是能帶 能帶之間它也可以發光 如果在那裏邊你搞了一些 就是說諧振腔的話 互相反射這種東西的話 那麼這LED你可以變成 就像我們現在這種東西 就像小的激光 你知道嗎 你看這個 這LED發光 可是這裏邊有一個 小小的諧振腔 你知道嗎 它就是變成相干光了 相干光了 剛纔我們說帶電粒子加速 你可以發光 是吧 帶電粒子穿越一些界面 它也發光 帶電粒子在一些物體裏邊 跑的時候 它如果超過光束的話 不是我們真空中光束 是在那個介質裏邊的光束的話 這很著名的 叫切倫科夫輻射 這也可以發光 帶電粒子在電池廠中 高速運動 它也可以發光 就是這樣 發光總是和帶電粒子有關係的 主要是跟帶電粒子有關係 另外一種發光基底 是叫做受極輻射 這是1917年的時候 愛因斯坦頭一次提出來這個概念 這個概念1917年提出來 過了半個世紀以後 這個概念人們才明白這個東西 然後才利用這個概念 人們發現了激光這個東西 受極輻射實際上是激光光源的 你沒有受極輻射 它不可能有激光光源 它是這樣 什麼意思呢 受極輻射 就是說它從高能級 向低能級越遷的時候 假如說剛好這個原子在一個高能級 可是它還沒越遷的時候 剛好有一個光子過來 就把它擾動了一下 這個光子的頻率剛好是什麼呢 是兩個能級除以h 明白這是什麼 就是它的能量差值除以h 剛好是外邊來的光子的頻率 被這個光子一擾動 它高能級越遷到下邊的時候 本來要發出一個光子 可是現在有了它的擾動以後 這個光子就是和這個光子 頻率一樣 振動方向一樣 就是傳播方向一樣 相位一樣 就是跟它一模一樣的光子 就一塊跑出來了 那這個有什麼重要意義呢 一個變成兩個 你想想看 假如說這裏面還有無數個這樣的原子 兩個又變成四個 對不對 四個變成八個 這很快就變成了完全一樣的光子 一起很大量的光子 如果你搞一些比如諧振腔 這個我們後邊激光的時候 稍微給大家簡單介紹一下 現在我們不詳細講 那樣的話就形成激光了 就是 所以這樣的激光屬於相干光源 因爲它們這些相位是一樣的 振動方向一樣的 頻率是一樣的 是這樣 那麼我們說這種激光 你可以用有氣體激光 比如說氦奶激光器 液體激光燃料的 或者那些東西做的 還有固體激光 像我們這種東西也叫固體激光 跟半導體這些東西 還有一種就是X線激光 就是通過把帶電粒子加速 加速那個時候 加速以後在哪 通過比如說磁場變化的磁場 我們那種磁場叫做V格拉 帶電粒子電子 比如在V格拉上面快速走的時候 因爲磁場是來回變化的 所以電子走的時候是這樣走 然後加速 所以它沿着它快速運動的方向 發射X線 因爲這種能量很高了 而這些X線 它可以變成什麼呢 它也有受極輻射的概念 所以它在裏面形成一個激光 這個光就能量很強了 因爲這是X線 能量是H6 頻率越大 光子的能量越強 那麼這個波段的光子 光子當然是非常強 當時最早的時候 八幾年的時候 這個是美國人花了大量的錢在那搞 這叫你們聽說過嗎 叫做星球炸彈計劃 還有什麼計劃 那個時候他搞一個這個東西 然後在這個美國很多地方都搞 那麼這個作用 實際上當時他們沒搞出來 什麼都沒搞出來 他唯一的作用就是 讓蘇聯人感覺到比較威脅 他們也使勁搞 就花了太多的錢 經濟垮了 所以他就 別人是這麼解釋 蘇聯一垮 經濟垮了他就輸掉了 所以里根那個意思就是說 我們的錢雖然沒搞出什麼東西來 也沒白花 好像取得勝利了 就是這種他的想法 現在這種X射箭激光有沒有呢 是有的 但是那個強度啊 不像星球大戰計劃那種 對準你那個衛星一造 就把你衛星打下來什麼的 那個時候還沒到這種程度 不過最近好像美國人宣佈 他好像有了某種激光 他可以對準哪個 你們聽了新聞嗎 就是無人駕駛飛機一造 他能造起來 不過這個激光 我們在這裏面也可以給大家看一下 激光確實很厲害 一個二氧化碳激光 下堂課給大家拿來 如果造的話 可以把那個紙啊放在那 可以點着的 像這種激光確實很厲害 還有一種是 這個是很有意思的一個東西 你知道激光啊 最早發現的 實際上不是激光 叫MISR 是微波激光 不是可見光激光 是微波的激光 這最早發現的 那叫MISR 現在那個叫Laser 可是這個MISR這種東西呢 可是上次 有一位美國過來的一個教授在這講 他觀察到 太空當中星系轉的時候 整個星系就變成了一個MISR 就是整個星系 它就有很多水 然後發射微波 而這些微波就像激光一樣 是什麼呢 是相干光 就從太空這麼遙遠的地方搞過來了 所以這個是很有意思 也搞不清楚這是爲什麼 是不是啊 也許什麼原因 那麼大的尺度 星系大家知道 星系這不是說太陽系 它是一個 星系可能像銀河系這樣的東西 一大堆這種東西一起來轉的時候 它有這種 所以宇宙裏邊有很多 我們搞不清楚的東西