有关物理光学的几个问题 一 在水波的单缝衍射实验中,衍射波的强度由中央向两边单调变化:逐渐减弱;而光的单缝衍射实验中,波的强度随位置改变而起伏变化:有衍射条纹.产生这种区别,原因是什么？ 在通常的水波单缝衍射实验中,缝宽小于或接近于波长;在通常的可见光单缝衍射实验中,缝宽是波长的若干倍,例如缝宽为0.05mm时,是绿波波长的100倍. 二 双缝干涉不同级次的明条纹亮度是否相等？ 双逢干涉的图样不但与双缝的间隔有关,还与每条缝的宽度有关.如果缝宽小于波长,那么,每条缝相当于一个线光源,发出简单的柱面波,两列柱面波干涉,在较远的光屏上,级次相差不太大的明条纹,亮度几乎相等.用激光脉冲代替普通单色光,且缝宽小于波长,缝宽远小于双缝间隔,这种条件下,较远的光屏上相邻的明条纹,亮度应该很接近. 通常的双缝干涉实验中,缝宽大于波长(例如100倍),以增加光通量.从每条缝衍射的光波的强度随位置改变而起伏变化,而次极大比主极大暗得多,因此干涉图样的明条纹随级次的增大基本上变暗,但略有起伏 .必修本第二册彩图6似乎显示各级明条纹亮度很接近,这是底片曝光时间较长或制版印刷不佳造成的视觉效果. 三 一个电子,是否可以同时吸收两个以上的光子,逸出金属,成为光电子？ 在使用普通光源时,一个电子同时吸收两个光子,几率近于零,几乎不能发生.但爱因斯坦早在他第一篇关于光电效应的论文中,就已指出,光强超过某一值,在适当的实验中就可以观测到电子吸收两个光子而发生的光电效应.1960年激光问世,从1964年到1975年,陆续实现了一个电子同时吸收两个,三个,四个乃至五个光子的光电效应.这些实验中,为避免金属表面温度明显上升发射热电子,使用的是激光脉冲. 四 有的文章说,金属中的自由电子如吸收光子,将不能同时满足动量守恒定律与能量守恒定律,因此自由电子不能吸收光子.光电子都来源于束缚电子.这种说法可靠吗？ 文献[4][5][6]的有关计算是正确的,也不难理解:两个橡皮泥球发生完全非弹性碰撞,在要求满足动量守恒的前提下,总动能不守恒,一部分动能转化为球的内能,满足能量守恒;自由电子吸收光子,若要求满足动量守恒,则动能E(等于p/(2m))不守恒,而E也是全部能量,从而能量不守恒.这种计算依据的是早期量子论(也用到相对论),得到的推论如与量子电动力学不符,便不是可靠的. 现在最精确的描述光的理论,是量子电动力学(量子场论).关于光电效应中电子吸收光子,量子电动力学这样描述:电子与光子作用,生成一个虚电子(观测不到),虚电子在另一位置变为一个电子和一个虚光子,这个电子如逸出,便是光电子,而虚光子与另一电子结合.净效应是,一个电子吸收一个光子后交出部分能量给另一电子,自身成为光电子.涉及虚物质的虚过程不受动量守恒定律和能量守恒定律的约束.在量子电动力学中,自由电子吸收光子是允许的. 五 太阳光谱中的暗线是否都是跟太阳大气层的吸收有关？ 在地面附近摄得的太阳光谱,其中的暗线一部分与太阳大气层的吸收有关,另一部分与地球大气层的吸收有关. 光谱学家能够判明哪些谱线与太阳大气层有关.在地面参考系中,太阳有自转运动(不是指太阳每24小时环绕地球一周),太阳东缘及附近大气层有趋近我们的速度分量,西缘有远离我们的速度分量.东缘大气层与西缘大气层的吸收谱线分别向紫区和红区移动.将分别对着东缘和西缘所摄得的光谱照片相对照,未发生错动的谱线,是地球大气层产生的,发生错动的谱线,是太阳大气层产生的. 参考文献 [1][美]U.哈伯-沙姆等著,物理,第一册,北京:科学出版社,1978年,插页图8.B . [2][美]D.哈里德,R.瑞斯尼克著,李仲卿等译,物理学,第二卷第二册,北京:科学出版社,1979年,534-538页. [3]许国材,多光子光电效应,大学物理,1993年1期. [4]魏安赐,自由电子不能吸收光子的归谬法证明,物理通报,1992年1期. [5]何玉平,浅议光电效应,物理通报 ,1994年8期. [6]刘云松,两种效应的区别,中学物理教学参考,1996年9期. [7]张三慧,光子概念的困惑与教学(下),物理通报,1993年3期. [8]甄长荫,光子理论和康普顿效应佯谬,物理通报,1989年11期,图1及附近文字. [9][美]H.E.怀特著,黄愚译,现代大专物理学,中册,北京:科学出版社,350页-353页. |