《工程光学》 课程论文
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0 引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 几何光学理论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1.1 光在各向同性介质中的传播„„„„„„„„„„„„„„2 物理光学理论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2.1 波动说和粒子说的争论„„„„„„„„„„„„„„„„2.2 光的干涉现象„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2.3 光的衍射现象„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2.4 光的偏振现象„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 光的量子理论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3.1 后牛顿„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3.2 光电效应和光的波粒二向性„„„„„„„„„„„„„„ 3.3 康普顿效应„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
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§0引言
光学是一门具有悠久历史的学科。对光的本性认识，典型而又鲜明地反映了人类对客观世界的认识是一个逐渐接近真理的发展过程。从l7世纪下半叶，人们对光的本性的认识就出现了两种不同的学说，以惠更斯为代表的一派主张波动说，他们认为光是一种机械波，充塞宇宙空间及万物之中有一种以太，它是一种传播光振动的、具有很大弹性的透明媒质。以牛顿为代表的另一派则主张微粒说，他们认为光是一种由微粒组成的射气，这些微粒可在真空中或透明媒质中以巨大的速度沿直线运动，也可从不透明物质的表面反射，当它们进入眼睛时就激起视觉。
惠更斯用波动概念解释了光的反射和折射现象。微粒说也能够解释光的反射和折射现象，但在解释光从空气进入水中的折射现象时，对空气中的光速与水中的光速究竟那一个大的问题上面， 波动说认为水中的光速小于空气中的光速，微粒说却认为是水中的光速大于空气中的光速，两者的结论恰好相。由于当时的技术还无法精确测定光速。所以究竟谁是谁非，难以判断。由于牛顿在力学领域的杰出贡献而享有崇高的威望，使他的微粒说在当时以及随后的百余年间得到了大多数物理学家的支持。(尽管牛顿本人已经注意到波义耳发现的薄膜色环——即牛顿环，并且对它做了研究，但牛顿并不认为它是波的干涉结果，另外，惠更斯也没有注意到格里麦第(F.Grimald)早在1665年出版的一本书中就已经指出的光波绕过物体边缘的现象，即光的衍射现象)。所以，从17世纪末到18世纪末，光的微粒说一直占据上风，惠更斯的波动说几乎被压抑了一个世纪，直到19世纪初，光的波动说才进入它的辉煌时期。
1809年，法国的马吕斯(Malus)发现了偏振现象，1817年托马斯.杨氏先认为光是一种横波，而不是如早先一般认为的纵波。1821年, 菲涅尔用实验研究了偏振光的干涉，从而确认光是横波。后来，在1840年菲佐(FiZeau)第一次在实验室条件下测定了空气中的光速，1862年傅科(L.Foucault)测定了水中的光速，终于比较出水中的光速不是如牛顿的微粒说所予言的那样比空气中快，而是如惠更斯的波动说所予言的那样比空气中慢。至此，光的波动说以充分精确的实验事实宣称了自己的胜利，而牛顿微粒说支持者变得寥寥无几了。
19世纪60年代，麦克斯韦建立了光的电磁理论。随后H.赫兹于1888年用实验证明了光是一种电磁波，而不是如惠更斯所说的机械波。但是，麦克斯韦仍然认为传播光振动需要有以太，只不过是以电磁波的以太代替了机械波以太。关于以太，在十九世纪末叶，人们曾经设计了不少实验，想证明它的存在，但结果都没有成功。后来，爱因斯坦在建立相对论的时候，大胆提出了“相对以太的运动是不存在的，以太也是不存在的”这一全新的论点。从而在理论上否定了以太的存在。人们对光的本性的认识并没有到此为止， 从19世纪末到20世纪初，人们又发现了一系列新现象，如加热辐射、光电效应等，这些现象不能用光的波动理论，而必须用光的量子理论才能加以解释。1900年，普朗克(M.Plank)用量子论成功地解释了热辐射现象，1905年爱因斯坦(A.Einstein)发展了这种量子概念．认为电磁辐射场也具有量子性质，他假定光是由具有一定能量和动量的粒于所组成的粒于流，这种粒子称为光子，他根据光子和自由电子在作用过程中的能量守恒定律，成功地解释了表面光电效应。这一时期的许多实验雄辩地证明了光的量子性。
综上所述，一方面，光的干涉、衍射和偏振表明，光在传播的过程中表现为波动性；另一方面，热辐射、光电效应、康普顿效应等现象又表明，光在与物质的相互作用中表现为粒子性(量子性)，而且光的波动理论和量子理论各自统治着自已的领域。光的波动理论不能解释热辐射、光电效应、康普顿效应等现象，而光的量子理论又不能解释光的干涉、衍射和偏
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振现象。可见，光是具有波动和粒子(电磁波和光量子)这两重性，称为光的波粒二象性，这就是今天人们对光的本性的认识，这种认识虽然仍只是相对真理，但比起牛顿的微粒说和惠更斯的波动说来，它已经更为接近客观真实了。
回顾这段历史，可以清楚地看到，人类对光的本性的认识，是经过由浅入深，由片面到较全面，由实验到理论，由现象到本质而逐渐发展起来的，最后建立起光的本性理论。当然，从科学发展的角度来看，对光的本性的认识是不会完结，而是无穷无尽的，会在不断的探索和研究中得到发展，使人们的认识得到更加深化和完善。
§1几何光学理论
可见光是电磁波谱中的很小一部分，但它对人类却是极其重要的。在17、18两个世纪，人们从研究与眼睛和视觉相联系的光学现象出发，总结出了光的反射和折射定律，由此奠定了几何光学基础，成为光学的转折时期。 1.1光在各向同性介质中的传播
1、光的直线传播现象
光的直线传播定律是说，光在均匀介质中沿直线传播。针孔成像可以作为该定律的实验证明。在匣壁上钻一针孔O，则匣前实物(即光源S)在匣后的毛玻璃屏幕上，便显示出清晰的像，这就是光线直进的结果。这个像相对于实物的位置，不但上、下倒置，并且左、右对调．针孔匣无异于一架简单的照相机，而针孔就是镜头．若针孔过小，光的直线传播定律
失效，得不到像，屏幕上则被均匀地照亮， 这是由于光的衍射现象所引起的。若针孔过 大，则像渐模糊，形成一块照耀明亮的区域。 2、光的反射现象
光照射到一个粗糙的，不透明的物体表面上时，一部分光线被该表面吸收，但大部分光线则被散射到四面八方。然而，当光线照射到一个平滑的反射表面（称为镜面）上时，则可以通过镜面看到光源的像，这一现象称为光的反射现象。
光的反射与乒乓球落在球台上又弹回来的情形很相似，就是说，当光在介质中传播时，若遇到另一种介质，则在两种介质的分界面上，一部分光线发生反射，另一部分光线透入另一种介质中，称为透射。能够被光线所透射的介质，称为透明介质，如水、玻璃等。
反射时服从光的反射定律：入射光线、反射面的法线和反射光线三者处在同一平面上，并且入射角(入射光线与法线的夹角)和反射角(反射光线与法线的夹角)相等．
多数镜面是具有平面的反射面，即平面镜。人们经常 照的镜子就是平面镜，但是，游乐厅里的哈哈镜却是波浪 形的，它把游人的像时而拉长，时而缩短，使人哈哈大笑。
非平面镜也有很多用途。凸面镜是一种中心向外凸的反射镜，它的作用是可以增大观察者的视野。与凸面镜相反，凹面镜的中心向内凹陷，把凹面镜放在太阳光下，凹面镜把照射到镜面上的所有光线都会聚到一点，这一点称为焦点。若把物体放在大型凹面镜的焦点上，物体的温度可以升高到几千度，这是把入射的太阳能会聚在一起而产生的结果。
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3、光的折射现象
反射现象中，讨论的是光线照到镜面上时出现的现象。生活中还有的一种现象是，光线射入放在大气中的透明物体时，如果光线以一定的角度照射到透明物体上，将有一部分光线被反射回空气中，当然，光的反射是服从反射定律的。然而，入射光的大部分将从空气进入透明物质。令人惊异的是，在透明物质中，光线并不是沿着入射光线的方向前进，而是与入射方向偏离了一个角度。这种当光线从一种透明介质进入另一种透明物质介质中时，光线偏离直线传播的现象，称为折射现象。
光在空气中的传播速度与光在真空中的传播速度近似相等，但是在水或玻璃这样一些物质中传播时，光速要低得多，水中的光速度仅为空气中光速的3/4。
通常把光在真空中的传播速度与光在介质中的传播速度之比称为介质的绝对折射率，简称折射率，用n表示，则：
nc
v 式中，c表示光在真空中的传播速度，v表示光在介质中的传播速度。
当光线照在两种介质的分界面时，折射光线在入射面内，折射光线和入射光线在法线的两侧，且入射角i1的正弦与入射光线所在介质的折射率n1的乘积，等于折射角i2的正弦与折射光线所在介质的折射率n2的乘积，即：
n1sini1n2sini2
这一结论称为光的折射定律。它说明，在两种透明介质的交界面处，如果光速减小，折射光线向法线偏折；如果光速增大，折射光线将偏离法线。 4、纤维光学
在光学仪器中，利用全反射棱镜可改变光的传播方向或使像倒转，近年来新兴的纤维光学，就是利用全反射来传递光能量的。将一条折射率较高的玻璃纤维丝(纤芯)外包一层折射率较低的介质(包层)，若光线射到纤芯与包层的分界面上，其入射角处处大于临界角，则光线在纤芯内相继地从纤芯与包层间的界面上作全反射，而自纤维的一端经很长距离传到另一端。这种起传光作用的玻璃丝叫
做光学纤维，简称光纤。将数以万计的光学纤维组成一股光纤束，各条纤维内的光不会相互穿越．如将光纤束中各条光纤按一定顺序排列，则不仅能传递光能量，也能用来传递图像．如图所示，将一图形置于光纤束的一个端面上，图形上各点发出的光线将分别沿光纤束中相应的一条光纤传到另一端面上，而得到一个像点，这些像点的集合就显示出与原来图形相同的图像。
光从玻璃纤维的一端射入，在弯曲的纤维的内表面，光线被反射。你可以把纤维扭转、弯曲，然而光线依然能从纤维的另一端射出。
借助玻璃纤维来传输光，已被应
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用于许多领域，由此所发展起来的学科，称为纤维光学。在医学方面，医生利用玻璃纤维，可以很容易地对人体的许多内部器官进行观察。或许将来有一天，光学纤维在人们的日常生活，将被用于传送电话、电视节目等。 5、光色散和吸收现象
光通过各向同性介质时要产生光的色散现象和吸收现象。我们这里仅对这两种现象作一简介。
将一束平行的白光通过狭缝S，入射到三棱镜P上，光线经过棱镜折射后，就在棱镜后方的屏幕上形成相当宽的一条具有各种颜色的光带。这光带的一端呈现红色，另一端呈现紫色，从红到紫依此出现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，这些颜色是连续过渡的，并没有明显的分界．这种现象说明，白光是由上述七种单色光所组成的复合光．
复合光通过三棱镜等分光器被分解为各种单色光的现象，叫做光的色散。分开的单色光依次排列而成的光带，叫做光谱。在白光产生的光谱中，颜色的过渡是连续的，所以它又称为连续光谱。
根据光的电磁理论，各种波长的光
波在真空中都以恒定的速度c(即真空中的光速)传播；而在介质中，由于光波与物质的相互作用，光波的传播速度就要减小，而且不同波长的光波，传播速度也各不相同。因此，同一介质对不同的单色光就有不同的折射率。红色光的折射率最小，因此透过三棱镜后，偏折的角度也最小；紫色光的折射率最大，因此透过三棱镜后，偏折的角度也最大。所以，在屏上就显示出由红到紫连续分布的光谱。
可见光是频率约在7.5³10HZ到3.9³10HZ之间的电磁波，真空中的光速
3.00³10m.s，根据波速、波长与频率的关系c，易于求出可见光在真空中的波长范
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-1围在400 nm到760 nm之间．可见光的颜色是由光波的频率决定的，不同频率的光，对人眼引起的颜色感觉是不同的；同一频率的光，在不同的介质中虽因光速不同而具有不同的波长，但因频率不变，故人眼感觉到的是相同颜色．所以单色光就是指具有一定频率的光。
下面再介绍光被介质吸收的情况。光透过介质时，光的强度要减弱，这就是介质对光的吸收现象，光波在介质中传播时，由于介质材料吸收了它的能量，以及材料的不均匀性和微粒杂质所引起的光的散射，使光波的强度逐渐衰减。光通过一定厚度的介质材料而透出时，其强度减弱的程度与光在介质中经历的路程和介质的特性有关。因此，各种不同的介质，透光性能是各不相同的。
介质对光的吸收，不仅与介质的性质有关，而且还与光的波长有关。例如，当白光(太阳光)通过无色的玻璃时，透过的光仍是白色的，这表明玻璃对白光中各种波长的光有相同的吸收。可是，当白光通过有色玻璃时，情况就不同了。例如，绿色玻璃能把白光中除绿光以外的其他颜色的光都吸收掉，故透射出来的光就呈现绿色。如果物质对某些波长的光吸收甚为强烈，而对其他波长的光则很少吸收，这种吸收就叫做选择吸收。平时我们在白光下看到的许多物体都是有颜色的，就是由于选择吸收的结果。例如，白天看到寺庙的一堵红墙，就是因为这堵墙将日光中除红光以外的其他波长的光都吸收掉了，而对红光吸收甚少，从而使红光从墙面反射到人眼时，感觉到墙面是红色的。假如一个物体能吸收掉白光中所有波长的光，它就显现黑色，如煤炭、黑漆、黑布等；反之，若一个物体能将白光中所有波长的光几乎全都反射回去，即几乎没有吸收，它就是白色的。这也意味着白色物体吸收白光能量的本领最弱；而黑色物体吸收白光能量的本领最强．所以在夏天强烈阳光下从事室外活动时，宜穿白色衣服，不宜穿深色衣服。
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§2物理光学理论
2.1波动说与粒子说的争论
17世纪开始了对光的本性的讨论，产生了波动说与粒子说的争论，主张微粒说的以牛顿为代表，主张波动说的以惠更斯为代表。
惠更斯（C.Huggens公元1629——1695）出生于荷兰，16岁进入莱顿大学，1665年获法学博士学位，在访问巴黎和和伦敦时，认识了牛顿，惠更斯比牛顿大十三岁。
惠更斯是一位数学家、物理学家和天文学家，伦敦皇家学会的第一个外国会员。1657年他发表的“关于骰子游戏或的计算”是关于概率的第一篇科学论文。在光学方面，最大的贡献是提出了光的波动说，提出了惠更斯原理，他首先发现了光的双折射现象和光的偏振现象。
胡克，波动说的最早赞同者之一，是一位最伟大的实验物理学家，他与牛顿是同时代的人，担任过皇家学会秘书长。胡克在1665年发表了“显微说”一书，“主张光是一种振动”，与牛顿存在着长期的学术争论，但由于两人都存在着性格上的弱点，便争论变得不太友好。
牛顿对光的本性的看法，更多倾向于微粒说。在1704年出版的“光学或关于光的反射、折射、弯曲和颜色”的论著中，以提问的方式怀疑把光设想为一种在流体中传播的挤压运动的一种假说。他认为：第一，光的波动说不能很好地说明光的直线传播这一基本事实；第二，光的波动说不能解释偏振现象；第三，怀疑光的波动说赖以存在的“以态”。
光的微粒说与光的波动说几乎产生于同一时代，但在十九世纪以前，光的微粒说一直占据着统治地位，其原因是多方面的，但主要是因为惠更斯的波动说本身的不完善性，以及在17、18世纪，研究机械运动的科学——古典力学已经建立并取得很大成就，人们容易接受用古典力学的机械论——微粒说来解释光的本性。另外，当牛顿踌躇地否定了波动说而肯定了微粒说之后，他也并没想到，由于他的权威地位使得接受光的波动说整整延误了一个多世纪。
光的理论在18世纪中实际上并没有多大的进展。在光的微粒说继续得势的时候，坚持光的波动说的科学家们并没有气馁，直到19世纪，由于托马斯.杨和菲涅耳等人的工作，使得光的波动说又兴旺起来。下面，我们将从光的干涉、光的衍射以及光的偏振等现象来了解光的波动性。 2.2光的干涉现象 1、杨氏实验
托马斯.杨（T.Young公元1773——1829）在光学的研究中，反对光的微粒说，重新提出了波动说，即使在“权威”的学说面前也不退却，坚信自己的学说是正确的。在1801年发表于“哲学学报”的论文中，杨定义了他所发现的普遍规律“同一束光的两个不同部分以不同路经要么完全一样地进入人的眼睛，要么大方向十分接近地进入眼睛，在光线的路程差是某个长度的整数倍的地方，光就越强，而在干涉区域中间状态，光将最强，对于不同颜色的光束来说，这个长度是不同的”这就是在光学的发展史中最著名的“杨氏实验”。用这一观点解释了光的干涉现象，以下对杨氏的干涉实验和原理作一介绍。
在水波盘演示的干涉实验中，两振源是装在同一支架上的机械振子，三个相干条件无疑都能实现，但要用普通光源来实现干涉，就不那么容易了。1801年英国科学家托马斯²杨
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以极简单的装置和巧妙的构思做到了这一点，它不仅是许多其它光的干涉装置的原型，而且在理论上也提供了许多重要的概念和启发。无论从经典光学还是现代光学的角度来看，杨氏实验都具有十分重要的意义。现在，通常用激光作为杨氏实验中的光源，这是因为激光具有普通热光源所没有的优异特性，是新型光源。
杨氏实验的装置如图所示，在普通单色光源（如钠光灯）前面放一个开有狭缝Ｓ的屏，作为单色光源。在光源Ｓ的照明范围内，放一个开有与Ｓ平行的两个狭缝Ｓ１和Ｓ２的屏。按惠更斯原理，光源Ｓ发出的光的波阵面同时到达Ｓ１和Ｓ２ ，而Ｓ１和Ｓ２就是两个新的波源。这两个新波源发出的光是相干光。由于Ｓ
所以这种１和Ｓ２是同一波阵面的两部分，
获得相干光的方法叫做分波阵面法。在激光出现以后，利用它的相干性和高亮度，人们可以用氦氖激光束直接照明双缝，在屏幕上可获得一套相当明显的干涉条纹，供许多人同时观看。
在杨氏双缝干涉实验中，干涉明条纹中心位置是：
xk干涉暗条纹中心位置是：
D k0,1,2,3 dD k1,2,3 2dx(2k1)式中，d是两双缝的间隔，D是屏幕到双狭缝平面的距离，x是幕上任一点P到O的距离，λ是照射光的波长，k称为干涉级次。
相邻两明纹或暗纹间的距离是：
xDd
此式表明Δx与级次k无关，因而干涉条纹是等间隔排列的。
由Δx＝Ｄλ/ｄ可知，双缝间距ｄ增大，Δx减小，零级明纹中心位置不变，其它各级条纹相应向明纹靠近，条纹变密，反之，条纹变稀疏。当双缝间距ｄ增大到一定程度，条纹密集到肉眼不能区分时，我们就观察不到干涉现象了。两窗户的光、手指伸直时指缝的通过光等，都不能观察到干涉现象，就是这个道理。
在杨氏双缝干涉实验中，只要知道实验装置中的几何尺寸，如屏幕与双缝的距离Ｄ，双缝间隔ｄ，相邻两明纹的间距Δx，就可以计算出光波波长。历史上正是从双缝干涉实验中首次测出光波波长的。 2、薄膜干涉实验
把同一光源发射的光分成两部分获得相干光的方法还有分振幅法，分振幅干涉法最典型的是薄膜干涉。平常看到的油膜或肥皂液膜在白光照射下发生的彩色花纹就是薄膜干涉的结果。
如图所示，当单色光垂直照射劈尖薄膜时，在薄膜表面将产生明暗相间的条纹，产生明纹的条件是：
2ne产生暗纹的条件是：
2k,k1,2,3
2ne2(2k1),k1,2,3
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式中，k是干条纹的级次。上面两式表明，每级明或暗条纹都与一定的薄膜厚度e相对应。
如图所示，以L表示相邻两条明纹或暗纹在表面上的距离，则：
L2n
上式说明，劈尖干涉形成的干涉条纹是等间距的，条纹间距与劈尖角θ有关。θ越大，条纹间距越小，条纹越密。当θ大到一定程度后，条纹就密不可分了。所以干涉条纹只能在劈尖角度很小时才能观察到。若已知薄膜的折射率n和入射光的波长λ，又测出条纹的间距L，则利用上式可可以求出劈尖角θ。在工程上，劈尖干涉有着重要的应用，例如可以把细丝夹在两块平板玻璃之间，形成空气劈尖，测出细丝到棱边的距离、条纹间距和已知波长，就可以测出细丝的直径。劈尖干涉也可以检查精密加工工件的平整程度，把标准玻璃块放在待测工件上，待测工件凸凹不平，那么干涉条纹将不是平行直线，而是疏密不均匀的不规则曲线。
在现代光学仪器中，为了减少入射光线能量在透镜等元件的玻璃表面上反射时所引起的损失，常在镜面镀一层厚度均匀的透明薄膜（常用氟化镁ＭｇＦ２）。对于垂直入射于薄膜的光线，当薄膜的厚度为e/4n2时可使波长为的单色光在膜的两个表面上的反射光因发生干涉而相消，出现均匀的一片暗，于是这种单色光几乎完全不发生反射而透过薄膜，这种使透射光增强的薄膜就是增透膜。例如大多数照相机镜头上就镀有能使黄绿光(波长λ＝５５００A0)增透的膜，因而一般的照相机镜头呈现出兰紫色(黄绿色的互补色)。
当薄膜的厚度e/2n2时波长为λ的单色光在膜的两个表面上的反射光因干涉而加强，出现均匀的一片亮。用这种方法可以制成反射本领高达９９％的反射表面，即增反膜。利用类似的方法，采用多层涂膜可以制成透射式的干涉滤色片。 3、牛顿环实验
将一曲率半径相当大的平凸玻璃透镜A的凸面，放在一片平皈玻璃B的上面，如图所示。于是，在两玻璃面之间，形成一厚度由零逐渐增大的类似于劈形的空气薄层，因而可以得到
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等厚干涉条纹。自单色光源S发出的光线经过透镜L，成为平行光束，再经倾角为45的半透明平面镜M反射，然后垂直地照射到平凸透镜A的表面上。入射光线在空气层的上、下两表面(即透镜A的凸面和平板玻璃B的上表面)反射后，一部分穿过平面镜M，进人显微镜T，在显微镜中可以观察交界面上，呈现着以接触点O为中心的一组环形干涉条纹，这组环形条纹在靠近部分分布较疏，边缘部分分布较密。如果光源发出单色光，这些条纹是明、暗相间的环形条纹；如果光源发出白色光，则这些条纹是彩色的环形条纹(级次高的条纹互相重叠，分辨不清，一般能看到三、四个彩色环)．这些环状干涉条纹叫做牛顿环。
出现明环的半径为：
r出现暗环的半径为：
(2k1)R,k1,2,32
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rkR,k1,2,3
由于半径ｒ与环的级次的平方根成正比，所以越向外环越密。此外，也可以观察到透射光的干涉条纹，它们和反射光干涉条纹明暗互补，即反射光为明环处，透射光为暗环。 光的干涉现象在科学研究和工程技术上的应用非常广泛，在工业上常用来测定长度，长度的微小变化以及检验表面的平整性等。还可根据不同要求，设计出不同式样的干涉仪，如显微干涉仪检查光学玻璃的表面质量，测定机件磨光面的光洁度。在光谱学中，应用精确度极高的近代干涉仪可以准确而详细地测定谱线的波长及精细结构。在工业上和化学分析中，也常用折射干涉仪，测定气体和液体的折射率，并决定气体或液体中的杂质浓度。在天文学中，利用特种天体干涉仪还可以测定远距离星体的直径。 2.3光的衍射现象
水波和声波能绕过障碍物传播。在房间里，人们即使不能直接看到窗外发声的物体，却能听到从窗外传来的喧闹声；分别站在一堵高墙两侧的人，也都能听到对方的说话声；在水波盘的实验中，我们也能看到水波绕过障碍物的现象。粗略地说，当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射现象。
在日常生活中，光的衍射现象不易为人们所察觉，而光的直线传播行为给人们留下了很深的印象。这是由于光的波长短，且普通光源不是相干光源。所以通常光的衍射现象不显著，但在实验室中，我们很容易观察到衍射图样。
在图A所示的实验中，S为一单色光源，G为一遮光屏，其上开了一个直径为十分之几毫米的小圆孔。H为一白色观察屏。实验时，在观察屏上可观察到所形成的光斑比圆孔大了许多，而且有明显的明暗相间的环组成。如果把小圆孔换成差不多大小的小圆板，则在观察屏上观察到在圆板几何阴影中心是一个亮斑，周围也出现一些圆环。如果把小圆孔换成针或细丝，则在屏上观察到有明暗相间的条纹出现。
在图B所示的实验中，遮光屏上开了一个十分之几毫米的狭逢。实验中，在屏上观察到许多明暗相间的条纹，并且条纹的宽度比狭逢的宽度宽了许多。
这些实验说明，光也能产生衍射现象，即光也能绕过障碍物的边缘传播，而且在衍射后能形成明暗相间的衍射图样。
根据观察衍射实验的不同方式，可以把衍射分为两类，一类是菲涅耳衍射，即衍射屏（狭缝、小孔、钢针等）与光源和屏幕的距离分别为有限远时的衍射；另一类是夫琅和费衍射，即衍射屏与光源和屏幕的距离均为无限远时的衍射，即入射到衍射屏的光是平行光，传播到观察屏的光也是平行光。实验室要实现夫琅和费衍射，是用透镜获得平行光，入射到衍射屏上，在衍射屏后再加透镜，使衍射平行光会聚在该透镜焦平面处的幕上。
如何对衍射进行定量分析呢？1815年天才的菲涅尔开始了他十分短促的发现家的生活，同年十月寄给法国科学院的一篇重要的“关于光的衍射”的论文，指出衍射是光的波动说的有力证据。他用今天称为菲涅尔半波理论，定量地计算了圆孔、圆盘等障碍物所产生的衍射
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花样，理论与实验完全符合，他指出如果障碍物小到与光的波长可以比拟时，必然产生衍射现象。
巴黎大学的数学家和物理学家泊松（公元17881—1840）看到菲涅尔的论文后，经过计算得出推论，如果菲涅尔的理论正确，则在屏后暗影中心应出现一个亮点。当他把这一结论告诉菲涅尔后，后者立即用实验证明了这一推论。 1、单逢夫琅和费衍射
单缝夫琅和费衍射的实验装置和光路图如图所示，另一图给出了单缝衍射光强分布。此图表明，单缝衍射图样中各极大处的光强是不相同的，明纹光强最大，其它明纹光强迅速下降。
在观察屏上所形成的衍射明条纹中心位置由下式决定：
asink,k1,2,
而衍射暗条纹中心位置由下式决定：
asin(2k1)式中，θ称为衍射角。
2,k1,2,
两个第一级暗纹中心间的距离为明纹区，明纹最宽最亮。其宽度为：
Δｘ＝2ｆλ/ａ 上式表明明纹的宽度正比于波长λ，反比于缝宽ａ。缝越窄，衍射越显著；缝越宽，衍射越不明显。当缝宽ａ>>λ时，各级衍射条纹向靠拢，密集得以致无法分辨，只显出单一的明条纹。实际上这明条纹就是线光源Ｓ通过透镜的平行光束。由此可见，光的直线传播现象，是光的波长较透光孔或缝（或障碍物）的线度小很多时，衍射现象不显著的情形。由于几何光学是以光的直线传播为基础的理论，所以几何光学是波动光学在λ/ａ→０时的极限情形。 2、光栅衍射
光栅是进行光谱分析的一种重要光学元件，它是由平行、等宽而又等间隔的多狭缝构成的衍射屏如图所示。光栅有两种，一种是用于透射光衍射的透射光栅，例如在一块很平的玻
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璃上用金刚石刀尖刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕处因漫反射而不透光，未刻过的部分相当于透光的狭缝，这就是一种简单的一维多缝透射式光栅。又如一张透明胶片由曝光记录的一组等宽的平行干涉条纹，便是一块一维的透射光栅。另一种是用于反射光衍射的反射光栅，例如ＣＤ唱片信息纹路是等间隔排列镀有铝膜的槽纹，用它可以作反射光栅。
设光栅每条缝的宽度为a，缝间不透明部分的宽度为b，则相邻狭缝上对应点之间的距离a＋b叫栅常数，它表示了光栅的空间周期性，以N表示光栅的总缝数。
下图是光栅衍的实验装置图。设平面单色光波垂直入射到光栅表面上。光线经过透镜L后，将在屏幕上呈现各级衍射条纹。
在衍射屏上的观察结果是，在几乎黑暗的背景上出现了一系列又细又亮的明条纹，这些亮条纹称为主极大。又亮又细的光栅衍射条纹，给观测带来极大的方便。基于这些优点，通常用衍射光栅可以比较准确地测量入射光波的波长。
当衍射角θ满足：
（a＋b)sinθ＝±kλ k＝１，２，„ 时，所有相邻两缝的两相干光束应相互加强，P点出现明条纹。光栅衍射中能看到的明条纹称为主极大，上式称为光栅方程。
在光栅衍射实验中，满足光栅方程的P点并不一定都能观察到主极大，其原因是光栅衍射条纹还被单缝衍射的效果所制约。若满足光栅方程的P点还同时满足单缝衍射暗条纹的条件a sinθ＝±k′λ，则P点应出现暗条纹。光栅衍射中由多光束干涉本应出现明条纹的位置，由于单缝衍射的原因，这点光强实际为零的现象称为缺级现象。缺级的位置应同时满足
（a＋b)sinθ＝±kλ, k＝１，２，„ asinθ＝±k′λ， k′＝１，２，„
不同物质的光谱，特别是物质的发射光谱和吸收光谱，是研究物质结构的根据。原子、分子的光谱为研究原子、分子的内部结构和运动规律提供了重要信息。在工程技术中，衍射光谱也已广泛应用于分析、鉴定及标准化测量等方面。 2.4光的偏振现象
历史上，早在光的电磁理论建立以前，在杨氏双缝实验成功以后不久，马吕斯于1809年就在实验上发现了光的偏振现象。电磁理论指出，在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿垂直于传播方向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量。这些都已被大量实验
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事实所证明，光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的平面内电矢量还可能有各式各样的振动状态，我们称之为光的偏振态或偏振结构。实际中最常见的光的偏振态大体可分为五种，即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。 1、起偏和检偏
光的干涉和衍射现象表明光是一种波动，但这些现象还不能告诉我们光是纵波还是横波。光的偏振现象清楚地显示光的横波性，这一点是和光的电磁理论完全一致的，或者说，这也是光的电磁理论的一个有力证明。历史上，早在光的电磁理论建立以前，在杨氏双缝实验成功以后不久，马吕斯于1809年就在实验上发现了光的偏振现象。电磁理论指出，在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿垂直于传播方向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量。这些都已被大量实验事实所证明。前面已提到，在光和物质的
相互作用过程中主要是光波的电矢量E起作用，所以人们
常以电矢量E作为光波中振动矢量的代表。
光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的平面内电矢量还可能有各式各样的振动状态，我们称之为光的偏振态或偏振结构。实际中最常见的光的偏振态大体可分为五种，即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
光是由光源中大量原子或分子发出的，在普通光源中各原子或分子发出的光波不仅初相位彼此无关联，它们的振动方向也是杂乱无章的。所以光矢量E不可能保持一定的方向，而是以极快的不规则的次序取所有可能的方向，没有一个方向比其它方向更占优势。具有这样特征的光，称为自然光。所以，自然光中的光矢量E，在所有可能的方向上，振幅都可看作完全相等。如右上图所示。
光矢量E只沿一个固定的方向振动时，这种光称为线偏振光，如右下图所示。光矢量的方向和光的传播方向构成的平面称为振动面。线偏振光的振动面是固定不动的。
部分偏振光的光矢量E在各方向都有，但振幅不相等，在某振动方向上占有优势。这是一种介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光。
圆偏振光和椭圆偏振光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量E按一定频率旋转，可以左旋，也可以右旋。如果光矢量端点轨迹是一圆，这种光叫圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一椭圆，这种光叫椭圆偏振光。 在透明基片上镀一层硫酸碘奎宁晶粒，由于这种晶粒对某一方向振动的光矢量有强烈的吸收作用，而对相垂直的方向的光矢量吸收很少，这样就得到了偏振片。偏振片基本上只允许沿某一特定方向振动的偏振光通过。这一方向称为偏振片的偏振化方向或通光方向（注意不要把它误解成透射光的传播方向）。当自然光垂直入射到偏振片时，透过的光成为线偏振光，这个过程叫起偏，此偏振片称为起偏器。由于自然光光矢量对称均匀，起偏器旋转，出射的线偏振光振动面也旋转；出射光强不随起偏器旋转而变化，但它只有入射光强的一半。
线偏振光入射到一偏振片时，缓慢旋转偏振片，则透过偏振片的光强随偏振片的转动而变化。当偏振片的偏振化方向平行于入射光的光矢量方向时，光强最强。当偏振片的偏振化方向垂直于入射光的光矢量方向时，光强为零，称为消光。将偏振片旋转一周时，透射光强出现两次最强，两次消光。这是一种识别线偏振光的方法，叫检偏，此偏振片称为检偏器。当部分偏振光通过检偏器时，检偏器旋转一周出现两次最强、两次最弱，但不消光。自然光
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通过检偏器时，检偏器旋转一周，光强始终为入射光强的一半。从检偏振器透射出的光的强度为：
Ｉ＝Ｉ0cos2α 式中，Ｉ0表示入射线偏振光的光强，透射光强随α角变化的这种规律，叫做马吕斯定律。
上面我们讲了偏振片的起偏和检偏。由于这种人造偏振片可以制成很大的面积、且厚度很薄，既轻便，又价廉，因此，尽管其透射率较低、且随光波的波长而改变，但是，在工业上还是被广泛应用。
例如，地质工作者所使用的偏振光显微镜和用于力学试验方面的光测弹性仪，其中的起偏器和检偏器目前大多采用人造偏振片。
又如，强烈的阳光从水面、玻璃表面、高速公路路面或白雪皑皑的地面反射入人眼的眩光十分耀眼，影响人们的视力，特别是城市里有些高层建筑的玻璃幕墙，往往造成上述这种光污染。经检测，这种反射光是光振动大多在水平面内的部分偏振光。因此，如果把偏振化方向设计成铅直方向的偏振片，制成偏振光眼镜，供汽车驾驶员、交通、哨兵、水上运动员、渔民、舵手和野外作业人员等戴用，就可消除或削弱来自路面和水面等水平面上反射过来的强烈眩光。
2、反射和折射时光的偏振
自然光在两种各向同性媒质分界面上反射或折射时，不仅满足光的反射定律或折射定律，而且偏振状态也要发生变化。一般情况下，反射光和折射光不再是自然光，而是部分偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振动多于平行振动，而在折射光中平行于入射面的光振动多于垂直振动，如左图所示。
理论和实验都证明，反射光的偏振化程度和入射角有关。当入射角等于某一特定值i０
时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光，如右图所示。这个特定的入射角i０称为起偏振角，或称为布儒斯特角。
1812年布儒斯特从实验还发现，当光线以起偏振角入射时，反射光和折射光的传播方向相互垂直，即：
i０＋γ＝９０°
既然反射和折射时都产生偏振，我们就可利用玻璃片来做偏振片(起偏器或检偏器)。以布儒斯特角入射时，反射光是线偏振光但是反射改变了光线传播的方向，用起来不方便，且反射光很弱，所以通常更多地利用透射光。经过玻片堆的多次反射与折射，透射光的垂直分量逐渐减小，最后接近于完全线偏振光。 3、光在晶体中的传播
一束自然光在两种各向同性介质的分界面上折射时，折射光只有一束，并在入射面上传播，方向由折射定律决定。但是，当光折入各向异性的介质(晶体)中时，将产生一系列的特殊现象，人们在十七世纪已经发现：通过方解石(又称冰洲石，即碳酸钙CaCO3晶体)观察物体时，物体的像是双重的．如图a所示，把一块方解石晶体放在纸面P上，这纸面上印有一
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行字(如图中影线所示的1、2这两个字)，从上往下透过方解石看字时，见到每个字都变成了互相错开的两个字，即每个字都有两个像。若在纸面上放一块各向同性物质(例如玻璃)，透过玻璃看字时，见到的每个字都只有一个像，即一束单色光在两种各向同性介质(例如空气和玻璃)的分界面上折射时，折射光只有一束。因而上述光透过各向异性介质而呈双重像的现象，可以解释为光进入方解石晶体后，成两束光而沿不同的方向折射，因此称为双折射。除了立方系晶体(例如岩盐)以外，光进入一般晶体都会产生双折射现象。图b表示光在方解石晶体内的双折射。显然，晶体愈厚，透射出来的折射光束只Rl、只R2分得愈开。
为了研究晶体中两条折射光的区别一块平行平面薄片，并令一束光以入射角i，射人薄片。实验证明，当i改变时，两束折射光中的一束始终遵守折射定律，即无论入射光的方向如何，其折射率是不变的，这束光称为寻常光，简称o光。第二束光不遵守折射定律，其折射率随入射光的方向而改变，sini/sin不是一个恒量，而且在一般情况下，这束折射光也不在入射面上，称为非常光，简称e光。在i0时，即在光垂直入射的情况下，o光仍沿原方向前进，但e光一般不沿原方向前进而发生偏折，如右图所示。
因为折射率(nc/v)决定于光在介质中的速度v，所以上述现象说明，o光在晶体中各方向的光速是不变的，而
e光在晶体中的光速则随着传播方向而改变。
变更入射光束的方向时，我们会发现，在晶体的内部存在着一个确定的方向，沿着这个方向，两条折射光，即。光和e光的折射率相等，即沿着这个方向，o光和e光的传播速度相等．这个方向叫做晶体的光轴。在光轴的方向上不产生双折射现象。应该指出，光轴是表示晶体内的一个确定方向，沿此方向传播的光波，不产生像的。因此，通过晶体内任何一点都可作一直线和晶体的光轴方向平行。将一晶体垂直于光轴方向的两个端面磨光，则当光垂直入射于磨光平面时就不会发生双折射，这样就很容易显示出晶体的光轴。
只具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体(如方解石、石英等)．有些晶体具有两个光轴，称为双轴晶体(如云母、硫磺等)。
在单轴晶体内，由寻常光。和光轴组成的面称为。主平面；由非常光e和光轴组成的面称为e主平面。在一般情况下，o主平面和e主平面不相重合．但实验和理论指出，若光在光轴与晶体表面法线组成的平面内入射，则o光和e光都处于这平面内，这个面也就是这两种光共同的主平面．这个由光轴和晶体表面法线组成的画称为晶体的主截面。在实际应用上，一般都选择入射面与主截面重合，这样，对双折射现象的研究更为简化。
我们可以用检偏器来验证，o光和e光都是偏振光，两者的振动面是互相垂直的．并且发现，o光的振动面垂直于晶体内与它相对应的主截面，而e光的振动面就是主截面。
如上所述，利用晶体的双折射现象，从自然光可以得到o光和e光两种偏振光，这两种
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偏振光分开的程度取决于晶体的厚度。但是纯料天然晶体的厚度都比较小，因而在通过天然晶体后的光束中，两束偏振光通常分得不够开，仍不免相互重叠而不能产生完全偏振光。用方解石晶体可以制成一种称为尼科耳的起偏棱镜，它是把其中。光用全反射分开，只让e光透过棱镜而获得完全偏振光，但由于这种起偏棱镜一般尺寸都不大，且成本较贵，目前已不广泛使用了。
单轴晶体对o光和e光的吸收一般是相等的，但也有一些晶体，例如电气石，吸收。光的性能特别强，在1 mm厚的电气石晶体内，o光几乎全部被吸收．晶体的这种性能就是已讲过的二向色性。利用电气石的二向色性可做成起偏器，但是这类起偏器的缺点是对e光也有选择性的吸收，使偏振光带有很重的黄绿色。
§3光的量子理论
在十七世纪，关于光的本性问题，有两派不同的学说，一派是牛顿所主张的光的微粒说，认为光是从发光体发出的而且以一定速度向空间传播的一种微粒。另一派是惠更斯所倡议的光的波动说，认为光是在媒质中传播的一种波动。微粒说与波动说都能解释光的反射与折射现象，但光的干涉、衍射和偏振现象是和光的微粒说不相容的。因此长期以来，光的波动说占了统治地位。到十九世纪末，又出现了一些新的实验事实与光的波动说不相容，主要有两个问题不能解释，一个是黑体辐射的能量按波长的分布，另一个是光电效应。在新的实验事实面前，迫使人们用新的思想、新的理论，去解释新的实验结果，从而使人们对光的本性的认识又上升到一个新的层次。这种新认识，是以实验为基础的。 3.1后牛顿
1900年，量子观念在几乎没有人注意到的情况下悄然溜进了物理学。这是后牛顿时代的开端，虽然当时没有人认识到这一点。但值得注意的是，另一个伟大的后牛顿思想，爱因斯坦的相对论是在仅仅五年之后即1905年发表的。相对论在一些基本点上改变了牛顿物理学：它意味着运动情况不同的观察者有不同的时间和空间。实物不是不可毁灭的实体，而是由能量、运动和场构成的。在长达三个世纪的像钟表一样的决定论和与人无关的客观性观念之后，现在看来宇宙并不像一只钟表，而实在则在某种程度上依赖于观察者。
爱因斯坦的狭义相对论在1905年首次宣布时就已经相当完备，它的性非常清楚。今天，狭义相对论已经被所有的物理学家所接受，已不再是一个正在活跃的理论了。
量子理论是对辐射和实物的行为、特别是微观层次上的行为的详尽描述。它悄然开始于1900年，之后慢慢发展，它所带来的冲击最终远远超过狭义相对论带来的冲击，而且今天仍在继续发展。尽管量子理论的主要原理在1930年前就已出现，尽管这个理论已受过多方面的检验并且应用广泛，但这个理论的真正含义仍然不清楚。
由于对如此多的现象做出了如此精确的预言，量子理论也许是人类发明的最成功的科学理论。它的实际影响延伸到每一种基于微观世界的细节的器件或观念：诸如晶体管、硅片和集成电路之类的电子元器件(因而全部信息和通信技术如电视和计算机)；大部分现代化学和生物学；激光器；我们对不同形式的实物(从超导体到中子星)的理解；原子核物理学、核能和核武器。整个高技术世界的中心就是一个难以捉摸的、高度“非牛顿式”的粒子：电子。
量子理论对哲学的冲击也许意义更重大，但却肯定更少得到正确的评价。比起相对论来，量子物理学是对牛顿式世界观更根本的否定。一个科学的世界观绝不仅仅是一个学术摆设。牛顿学说已经精巧地与西方文化交织在一起。机械论的世界观统治了西方文化几个世纪，已经被西方文化吸收深入骨髓，以至于人们接受它而竟没有意识到它也只是一种特定的世界观。
我们将会发现，与牛顿世界观相反，量子物理学意味着，自然界在微观层次上是由随机性或机遇支配的；大自然不知道她下一步将做什么!宇宙不再是一部可以预言的机器了。量
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子物理学意味着，自然界是深深地连通着的，你不能把自然界的这些部件如电子、质子和光波同它们的环境分离开来而不在根本上改变它们的特性。这也和牛顿世界观相反。根本不能再把宇宙看作一部机器了，哪怕是一部不可预言的机器，因为机器比喻的最基本的特性就是它的部件可以分离。
量子物理学认为，自然界的变化是以不连续的方式发生的，而不是像牛顿物理学预言的那样是连续的。这里有一个例子：想象一部孩子玩的秋千在摇荡，没有人推秋千，它的摆幅就会越来越小，最后停下来。秋千停下来的过程是连续的，逐渐的，这个连续过程正是牛顿物理学所预言的。如果像下面这样，则会使人吃惊：在没人推的情况下，在几次振荡中摆幅保持一定，比方说4米，然后在一瞬间“跃迁”到摆幅仅为2米，并在没有推动的情况下再度保持荡几次，此后突然停下来。这样一个不连续的过程不是牛顿物理学所预言的，在我们周围的宏观世界里是观察不到的。
但是这种不连续的非牛顿式过程在微观层次上却是行为的准则。例如，自然界要求一个原子仅在某几个精确的能量值上振动，正像我们想象的秋千只能在4米、2米或0米的摆幅上摇荡一样。当一个原子失去能量时，它必须在从一个“允许的”能量突然跃迁到一个更低的允许能量值的过程中失去。这样做时，它必须释放一个瞬时爆发的量或能量量子。这就是这个理论的关键的新特性，也是量子理论这个术语的由来。
量子不仅对牛顿的假设提出了挑战，而且还对更一般的科学假设提出了挑战。作为科学基础的一直是这样一个观念：自然界存在着一个的实在，即使我们不观察它，这个实在也不会有什么实质的不同。科学家们总以为他们研究的是这个的实在。但是量子物理学所描述的微观世界是这样微妙，仅仅一次观测动作就会使它发生实质性的改变；甚至完全谈不上对被观测物体有什么物理干扰的观测，而且甚至仅仅是观测的可能性都会使它改变。这就对一个的而且可知的微观实在的观念提出了挑战，而建议用一个包括宏观观察者在内并允许其参与的实在取而代之。 3.2光电效应和光的波粒二象性
麦克斯韦光的电磁理论的建立和后来赫兹为了证实电磁波的存在所作的实验的成功，使光的波动说取得了新的、决定性的胜利，光的微粒说理论也失去了阵地。然而，关于光的本性的争论并没有从此结束。 1、光电效应
10年前后，科学家们开始注意到，当可见光和其他电磁辐射照在一块金属表面上时，这些辐射能够从金属表面打出电子。这就是光电效应，它是许多实用器件的基础，其中最著名的是光电池，它有助于解决社会的能源问题。这里我们感兴趣的是光电效应对科学的影响，而不是它在技术方面的影响。1886年，赫兹在作证实电磁波存在有实验时，注意到这样一个事实：相隔一段距离，放置两个金属球，如果加上高电压，就会在两球间产生火花放电现象。如果电压不够，就不能产生火花，但此时若用紫外线来照射阴极，火花放电就会容易。后来，许多科学家接着作了大量光与物质相互作用的实验，这些实验表明，波长较短的光照射到清洁的、绝缘的金属阴极上，该阴极就会放出负电荷使自己带上正电。
17年发现电子后，人们才知道，当光束照射在金属表面上时，有电子从金属中脱出的现象，并称其为光电效应现象。
光电效应已在生产、科研、国防中有广泛的应用。在有声电影、电视和无线电传真技术
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中都用光电管或光电池把光信号转化为电信号。在光度测量，放射性测量时也常常用光电管或光电池把光变为电流并放大后进行测量，光电计数、光电跟踪，光电保护等多种装置在生产自动化方面的应用更为广泛。
光电效应的实验装置如上图所示，K是光电阴极，A是阳极，二者封在真空玻璃管内。光束通过窗口照射在阴极上(如果用紫外线，窗口必须用石英来做)。实验结果表明，光电效应有如下基本规律：
规律一：单位时间内从阴极出和光电子数与光强成正比。
规律二：光电子的初动能与照射光的频率成线性关系，与光强无关。
1mv2eKeU02
im0I规律三：存在红限频率ν0，无论照射光的强度多大，照射时间多长，
若ν<ν0，则不产生光电效应。
规律四：当入射光束照射在光电管阴极上时，无论光强怎样微弱，几乎在开始照射的同
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时就产生了光电子，其延迟时间最多不超过10秒。
应用光电效应的原理可制成真空光电管．最简易的真空光电管的构造如上图所示．这是一个抽成真空的玻璃泡，内表面上涂有感光层，它就是阴极K。用于不同光谱范围的光电管，其感光层是用不同截止频率的物质(例如银、钾、锌等)制成的，阳极A一般做成圆环形，用电池组B在阳极和阴极间加上电压，当光照射在阴极K上时，电路里就有电流通过，饱和电流的强度和入射光的强度有严格的比例关系．这种光电管的灵敏度很高，可用于记录和测量光通量．在电视、有声电影和无线电传真技术中，可用来把光信号转换为电信号；在自动控制和自动保护等装置中常可用作自动开关。
右图就是放映电影时应用光电转换来实现声音重放的一个装置简图。拍摄电影时的配音，是把声音信号转换为光信号，用明暗不同的条纹记录在胶片边缘的声带上．在放映电影时，光源发出的光通过移动的声带后发生了强弱的变化，并被光电管所接收，光电管把强弱变化的光相应地转变为强弱变化的电流，经放大器放大后，由扬声器放出声音。
上述的光电效应都发生在物体的表面层，使光电子逸出体外，所以称为外光电效应．光也可以深入到物体的内部，例如半导体在光的照射下，内部的原子要释放出电子，但这些电子仍留在物质内部，可使物质的导电性增加，这种现象称为内光电效应。这种内光电效应的应用更为广泛．下图就是利用内光电效应制成的光电装置，在铜板制成的电极A上，涂有氧化亚铜(Cu20)的薄层，在Cu20层上再涂一层薄得透明的任一金属(例如金)薄膜B，并以这薄膜作为另一电极．将两极用导线连接于电流计G上，当光线透过薄膜B而入射到Cu20层上时，线路中就有电流沿箭头方向流过。Cu20具有半导体的性质，在光的照射下，它的束缚电子一部分被释放出来而成为光电子．由于在铜板及Cu20的交界处形成阻挡层而具有整流作用。因此光电子就只能从Cu20到铜的方向通过，形成图示的电流方向。
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除Cu20外，利用硒、锡等也可以制成类似的光电装置。这类装置的特点是无须在线路中接人外加电源，就可在线路中产生电流，它们自身是转变光能为电能的媒介，因此一般称为光电池。
2、波动说的困难
根据标准的电磁波辐射理论，不难对光电效应作总的定性解释。根据这个理论，光到达金属表面时以连续的电磁波形式散布在其表面上。振动的电磁场对金属表面的一切带电粒子(质子和电子)施加一个振动力。电磁场越来越厉害地摇晃这些粒子，直到结合最松散的电子被摇下来。
这个解释似乎是可信的，但是当人们对照着详细的观测结果时，麻烦就来了。下面两点是麻烦所在：
1．实验上没有观察到辐射抵达金属面与首批电子发射之间的时间延迟。即使光很弱，电子仍然在光照到金属表面的瞬间就被打出来。
2．只有在光的频率高于某一阈值频率时才有电子发射。频率低于阈值的光打不出电子来，不论光的强度(亮度)有多强，也不论照射多长时间。但是频率高于阈值的光立刻就打出电子来，即使光很弱。
这两点都和辐射的电磁波理论相矛盾。到达金属表面的电磁波连续分布在被光照亮的金属表面上。表面中的任何单个原子只能吸收电磁波的很少一部分能量。因此，如果光非常弱，任何单个原子吸收的能量就将非常之小，只有经过一段相当长的时间，一个电子才能获得足够的能量，挣脱金属表面。基于电磁波理论的计算表明，在弱光中，时间延迟应长至几秒钟。但是并没有观察到任何时间延迟，虽然短至百万分之几秒的时间延迟也是能够检测出来的。
电磁波理论完全不能解释上述第二个麻烦。由于频率较高的光有较大的能量，我们也许会预期它将较快地打出电子。但是我们预期——而且基于电磁波理论的计算也预言——即使是频率低的光最终也会传给一个电子足够的能量，把它摇下来。为什么会在一个特定的频率上突然截止呢?
对上述第一点可以打一个比方。想象池塘中的一串水波，它们传到散布小卵石的一处沙滩上。我们可能会预料水波会对卵石有所扰动。但是想想，如果水波一到达沙滩，就把几个卵石从沙滩上猛烈地敲起而落到百米之外的岸上，我们将何等惊讶!这就像是水波的全部能量都集中在这几个卵石上似的。
而第二点则好比是，假设这个“水波—卵石效应”只在水波频率高于某个阈值频率时才发生。水波频率低于这个阈值时，卵石不会被弹出，即使波浪很大(有很大的振幅)；而水波频率高于阈值时，即使是小水波也会把卵石猛烈地打出来。这就是想用辐射的波动理论解释光电效应的人所遇到的难题。
1900年，德国物理学家马克斯²普朗克有了一个有关振动物体的新想法。他曾思考过振动的带电粒子发射辐射的问题。根据传统的辐射理论，辐射是带电物体振动时发射的一个波。例如，闪光灯发出的光被认为是闪光灯泡的灯丝中的电子和质子振动发射的电磁波。
光的波动理论不能解释上述光电效应的实验规律。按照光的波动理论，金属在光的照射下，金属中的电子因入射光的电场强度振动的作用而作受迫振动，这样将从入射光中吸收能量，从而逸出金属表面。逸出时的动能(即光电子的初动能)应决定于入射光电场强度振动的振幅。由于光的强度正比于振幅的平方，因此，光电子的初动能应随入射光的强度的增加而增加。但是光电效应的实验结果是：任何金属所释出的光电子的初动能都随入射光的频率线性上升，与入射光的强度无关。
正是因为光电效应的实验结果和光的波动说的基本概念之间存在着深刻的矛盾，爱因斯坦才在普朗克的量子理论的基础上提出了光子理论。光子理论可以成功地解释光电效应和其它一些实验结果。
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3、爱因斯坦光子说
十九世纪末，黑体辐射实验规律也是当时的物理学中令人困惑的问题。许多物理学家都企图用经典物理学的理论解释黑体辐射实验结果，但是这些企图都遭到失败。
1900年，德国物理学家马克斯²普朗克(左图，他于1900年12月14日在德国物理学会的一次会议上引进了公式h，通常把这一天看成量子理论的诞生日。在普朗克的理论中，这个公式代表热能变换为辐射能的最小单位，即一个微观粒子为了产生光可以释放的微观动能的最小值。)，
有了一个有关振动物体的新想法。他曾思考过振动的带电粒子发射辐射的问题。根据传统的辐射理论，辐射是带电物体振动时发射的一个波。例如，闪光灯发出的光被认为是闪光灯泡的灯丝中的电子和质子振动发射的电磁波。
普朗克对辐射的研究使他做出这样的假设：每个振动物体的能量 都受到牛顿物理学无法解释的一种。他提出，一个振动物体的能量由于某种原因只能从特定的一组允许值或可能值中选取。为了描述 这种，我们说一个振动物体的能量是量子化的，意即它只能取特定 的允许值。这是一个奇怪的假设。为什么一个振动物体的能量只能取特定自一组允许值呢?一旦将一个真正新的想法加进一个已存在的科学理论之中，其后果是无法预料的。量子化在好几年里没有受到很多人注意 但是它最终横扫了整个物理学界。
1905年是爱因斯坦忙碌的一年：他发表了他的狭义相对论和他关于布朗运动的论文，后者确立了原子的真实性；他还用普朗克的量子化思想给出了现在被科学界接受的对光电效应的解释。
爱因斯坦推理说，如果一个振动电荷的能量是量子化的，那么它的能量变化只能是从一个允许的能量瞬时地跃迁到另一个允许的能量因为根本不允许它具有任何中间的能量值。而能量守恒就意味着，发射出的辐射必须是以一股瞬时的辐射进发的形式从振动电荷产生出来，而不是电磁波理论所预言的长时间的连续波。
为了解决经典电磁波理论在解释光电效应现象时所遇到的困难，爱因斯坦在普朗克能量子概念的基础上，在1905年指出，不应该将光的辐射能看作连续分布的，光被电子吸收时也是一份一份不连续地被吸收的．他对光的本性提出如下的新概念：
光是一粒一粒的、以光速运动着的粒子流，这些光粒子最初称为光量子，现在称为光子。每—光子的能量为h，即与光的频率成正比，式中h为普朗克常量，所以不同频率的光子具有不同的能量，而光的强度则决定于单位时间内通过单位面积的光子数目。
按照爱因斯坦光子假说，当光束照射在金属上时，光子一个一个地打在它的表面，金属中的电子要么就吸收一个光子，要么就完全不吸收。当电子吸收一个光子时，由能量守恒可得：
h12mvA2
其中A表示电子从金属表面逸出时克服阻力需要做的功(称为逸出功)。这式子称为爱因
斯坦公式。
爱因斯坦公式对光电效应的解释是：入射光的强弱意味着光子流密度的大小。光强大表明光子流密度大，在单位时间内金属吸收光子的电子数目多，从而饱和电流大。但不管光子流的密度如何，每个电子只吸收一个光子，所以电子获得的能量Wh与光强无关，但与频率ν成正比。
在爱因斯坦想出用光子解释光电效应之后，对光电效应的解释变得出奇地简单明了。今天，理工科学生已把对光电效应的详细计算当作一个初等练习。但在1905年，科学家对量子化却不适应。正像发明 相对论一样，爱因斯坦的独创性、智力上的勇气、物理洞察力和
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对简洁解释的追求赢得了胜利。他的定量预言在十多年之后，即1916年在实验上得到精彩验证。
普朗克和爱因斯坦都不清楚振动粒子的能量为什么一定得量子化。今天我们仍然不知道。由于深奥难解的原因，自然界要求一个振动的粒子只是从一些特定的允许能量值之中选择它的能量，要求辐射成团地发射。
今天我们也仍然不知道为什么普朗克常量的值会是这个特定值。小量h在量子理论中所起的作用，和很大的量c在相对论中所起的作用相似。两个量都始终贯串在它们各自所属的理论中。虽然我们不知道这两个量中的任何一个为什么取这样的值，但是我们知道，随便哪个值发生较大的变化，宇宙将变得很不相同。 4、光的波粒二象性
光的干涉、衍射等实验证明了光具有波动性，这种认识是十九世纪完成的。由爱因斯坦光子假设并经光电效应实验证实，光还具有粒子性。这两者是并存的，且具有确定的联系。光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。光的波动性主要用光波的波长λ和频率ν描述，光的粒子性主要用光的质量、能量和动量描述。光的两重性质——波动性和粒子性通过p＝hν及ｃ＝h/λ联系起来。在有些情况下，光突出地表现出粒子性，例如光电效应和康普顿散射等实验；在另一些情况下，光突出地显示出波动性，例如光的干涉和衍射实验。
3.3康普顿效应——光的粒子性的又一次证明
爱因斯坦提出光子说后，并没有受到人们的认真对待，它的深远意义也没有被人们所了解。到了1923年，美国物理学家康普顿在实验中发现了康普顿效应，这种效应发生的原因，必须用光的量子性来解释。这样，光的量性才被人们普遍接受。
1923年康普顿以及其后不久吴有训研究了X射线通过物质时向各方向散射的现象，他们在实验在发现：(1)设入射线的波长为λ０，沿不同方向的散射线中，除原波长外还出现了波长λ＞λ
０
的谱线。(2)波长差Δλ＝λ－λ
０
随散射角φ的增加而增加；原波长谱
线的强度随φ的增加而减小，波长为λ的谱线强度随φ的增加而增加。(3)若用不同元素作为散射物质，则Δλ与散射物质无关；原波长谱线的强度随散射物质原子序数的增加而增加，波长为λ的谱线强度随原子序数增加而减小。康普顿效应也不能用经典物理理论来解释。按照经典电磁理论，光的散射是这样解释的：当电磁波通过物体时，将引起物体内带电粒子的受迫振动，每个振动着的带电粒子将向四周辐射电磁波，这就是散射光。由波动理论，带电粒子作受迫振动的频率等于入射光的频率，辐射出的光的频率也应与入射光的频率相同。因此，光的波动理论不能解释康普顿效应中散射光波长λ可以大于入射光波长λ０的实验结果。
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