物理效应及其应用其它物理效应PPT.ppt

　　第六章　其它物理效应第六章　其它物理效应    当光由光密媒质向光疏媒质入射，入射角当光由光密媒质向光疏媒质入射，入射角 １１大于临界角大于临界角 ＣＣ时，便会发生时，便会发生全反射全反射，界面将能，界面将能量全部反回第一种媒质，但这并不是说第二种媒量全部反回第一种媒质，但这并不是说第二种媒质中没有光波电磁场质中没有光波电磁场 第一节　光　隧　道　效　应光　隧　道　效　应            利用电磁场理论，可以得到，利用电磁场理论，可以得到，当入射角大于临界角时，当入射角大于临界角时，第二种媒质中的电场分量为：第二种媒质中的电场分量为：Ez＝＝E0 exp[-(2π/λ) • √n12sin2θi－－n22z]exp[-i ω •(t－－xsinθi /υ1)]• １１代表光波在第一种媒质中传播的速度代表光波在第一种媒质中传播的速度2021/8/251•上式描绘了上式描绘了一个振幅随ｚ的增加一个振幅随ｚ的增加而衰减，等相面以速度而衰减，等相面以速度  １１／／sin １１沿Ｘ轴传播的非均匀波－－沿Ｘ轴传播的非均匀波－－消逝消逝波波如图６－如图６－1（（a）所示，）所示，等幅面等幅面是平行界面ｚ＝常数的面是平行界面ｚ＝常数的面等相面等相面是垂直界面Ｘ＝常数的面是垂直界面Ｘ＝常数的面•如果界面有极微小的起伏，如图如果界面有极微小的起伏，如图６－６－1（（b）所示，则等幅面也跟）所示，则等幅面也跟随着起伏，表面的形貌信息便反随着起伏，表面的形貌信息便反映到等幅面形状上了。

依上式可映到等幅面形状上了依上式可知，知，•     Z＝＝λ/2π√ (n1 sinθi)2－－n22在在 处振幅下降为界面处的１处振幅下降为界面处的１/ｅ，ｚ为穿透深度ｅ，ｚ为穿透深度图６－１光全反射 2021/8/252光导纤维内的全反射光导纤维内的全反射光的全反射现象用来制造光的全反射现象用来制造光纤，用两种折射率不同的玻光纤，用两种折射率不同的玻璃拉成同轴电缆似的细细的光璃拉成同轴电缆似的细细的光导纤维丝如图６－导纤维丝如图６－2所示，所示，中心折射率大，外层折射率小中心折射率大，外层折射率小，，图左表朋了折射率的径向变化图左表朋了折射率的径向变化由于全反射，光线经受不断反由于全反射，光线经受不断反射向前传播射向前传播将大量光纤集成将大量光纤集成一束（光缆），既可以传送图一束（光缆），既可以传送图象，也可以传送声音因为光象，也可以传送声音因为光纤有信息传输容量大，又可避纤有信息传输容量大，又可避免电磁干扰等特点，促使各国免电磁干扰等特点，促使各国近年来不借耗资发展光纤通讯近年来不借耗资发展光纤通讯图６－２　光导纤维光纤除用于通讯外，还可以制作各光纤除用于通讯外，还可以制作各种光纤传感器及各种特殊器件，如种光纤传感器及各种特殊器件，如光纤陀螺等。

光纤陀螺等2021/8/253• 现现在在，，回回到到图图6-1(a) 若若在在第第二二种种媒媒质质(如空气中如空气中)，象图，象图6-1(a) 那样，那样，图６－３光学隧道效应        光光通通过过折折射射率率为为n1的的介介质质发发生生全全反反射射，，在在距距离离介介质质n1和和n2界界面面很很近近处处，，放放一一折折射射率率为为 n 3 的的棱棱镜镜（（n 3 > n 2，，或或等等于于 n 1，，这这时时会会发发现现，，只只要要间间隔隔足足够够小小(小小于于穿穿透透深深度度）），，媒媒质质n1中中的的全全反反射射会会受受到到抑抑制制，，光光线线将将能能穿穿越越n2进进入入媒媒质质n3 区区，，这这现现象称为象称为光学隧道效应光学隧道效应它它与与电电子子穿穿透透势势垒垒的的隧隧道道效效应应类类似似，，是光的波动性必然结果是光的波动性必然结果• 光光学学隧隧道道效效应应可可目目来来实实现现光光信信号号的的耦耦合合，，它它在在集集成成光光学学、、光光纤纤技技术术中中十十分分有有用用图图6-3（（b））表表明明光光信信号向光波导薄膜的耦合号向光波导薄膜的耦合2021/8/254• 图图6-4明明两两条条光光纤纤通通过过光光学学隧隧道道效效应应实实现现耦耦会会构构成成迈迈克克逊逊干干涉涉仪仪式式的的光光纤纤通通讯讯系系统统。

图图中中光光耦耦合合器器是是通通过过烧烧融融或或磨磨合合将将两两根根光光纤纤的的一一部部分分靠靠得得很很近近，，在在此此，，可可以以由由光光学学隧隧道道效应实现耦合效应实现耦合图６－４光耦合与光通讯 •从从光光源源传传入入光光纤纤ａａ段段的的光光，，在在耦耦合合器器一一分分为为二二，，一一路路沿沿ｂｂ，，一一路路沿沿C，，这这两两路路光光在在光光纤纤端端面面被被反反射射，，这这两两路路反反射射光光经经耦耦合合器器合合光光进进入入ｄｄ段段，，由由光光电电探探测测器器接接收收，，即即ｂｂ，，ｃｃ两两段段的的光光程程差差决决定定了了光光电电探探测测器器的的信信号号强强度度现现在在若若把把录录音音机机或或收收音音机机输输出出的的音音频频信信号号电电压压加加到到压压电电陶陶瓷瓷上上，，电电信信号号就就变变成成了了压压电电陶陶瓷瓷的的机机械械振振动动，，引引起起ｃｃ段段光光程程，，即即ｂｂ、、ｃｃ两两段段的的光光程程差差发发生生变变化化，，使使音音频频信信号号载载于于光光波波之之上上，，光光探探测测器器接接收收的的干干涉涉信信号号也也就就随随音音频频而而变变化化再再把把这这信信号号放放大大推推动动扬扬声声器器，，便便完完成成了了声声音音从光纤的一端到另一端的传递。

从光纤的一端到另一端的传递•光光纤纤耦耦合合器器起起到到迈迈克克逊逊干干涉涉仪仪中中分分束束器的作用器的作用，，在这里实现分光和合光在这里实现分光和合光，，•其其中中一一根根光光纤纤缠缠绕绕在在圆圆柱柱形形压压电电陶陶瓷瓷上上、、压压电电陶陶瓷瓷的的径径向向伸伸缩缩可可改改变变光光纤纤的的长长度度，，相相当当迈迈克克逊逊干干涉涉仪仪中中反反射射镜镜的移动，起到了改变光程的作用的移动，起到了改变光程的作用2021/8/255• 光纤器件有体积小、重量轻、光纤器件有体积小、重量轻、宽频带、容量大等优点，正在军宽频带、容量大等优点，正在军事和高新技术中越来越受到重视事和高新技术中越来越受到重视新近，利用光隧道效应原理发展新近，利用光隧道效应原理发展了一种探侧表面形貌的激光光隧了一种探侧表面形貌的激光光隧道显微镜由图６－１（ｂ）可道显微镜由图６－１（ｂ）可见，消逝波的等幅面包含表面形见，消逝波的等幅面包含表面形貌信息，貌信息，用一根光导纤维做成的用一根光导纤维做成的探针，扫描等幅面，就可得知表探针，扫描等幅面，就可得知表面面“地形地形”，因为光隧道效应，光，因为光隧道效应，光纤探针所到处的全反射受到抑制，纤探针所到处的全反射受到抑制，有光隧穿进入光纤的光可由光电有光隧穿进入光纤的光可由光电探测器检测。

图６－探测器检测图６－5表明激光表明激光光隧道显微镜的示意方块图，激光隧道显微镜的示意方块图，激光束打在样品表面，形成消逝场，光束打在样品表面，形成消逝场，图６－５光隧道显微镜示意图 在压电陶瓷扫描控制系统的控制下，让光纤探头对消逝场作等场强在压电陶瓷扫描控制系统的控制下，让光纤探头对消逝场作等场强（等幅面）扫描，根据光电倍增管反馈回的信号，在扫描Ｘ，Ｙ时等幅面）扫描，根据光电倍增管反馈回的信号，在扫描Ｘ，Ｙ时调节探针的高度Ｚ，使光电倍增管的信号在扫描中保持在一个给定的调节探针的高度Ｚ，使光电倍增管的信号在扫描中保持在一个给定的值，提取Ｘ、Ｙ位置对应的Ｚ，经图象处理和显示系统就可看到样品值，提取Ｘ、Ｙ位置对应的Ｚ，经图象处理和显示系统就可看到样品表面的形貌图象表面的形貌图象2021/8/256第二节　弹　光　效　应第二节　弹　光　效　应 •1816年年Sir Davld Brewstet 发现发现透明的各向同性物质会由于应力透明的各向同性物质会由于应力而出现光学各向异性而出现光学各向异性，，原来不具原来不具双折射的各向同性物质表露出力双折射的各向同性物质表露出力致双折射的现象，称为弹光效应致双折射的现象，称为弹光效应（（photoclasticity）。

图6－6　弹光效应 如如图图6－－６６（（a））所所示示，，将将试试样样放放在在两两个个光光轴轴互互相相垂垂直直的的偏偏振振片片之之间间，，自自然然光光通通过过偏偏振振片片１１成成为为偏偏振振光光照照射射在在试试样样上上，，当当对对试试样样加加压压，，在在偏偏振振片片２２之之后后便便可可观观察察到到彩彩色色干干涉涉条条纹纹这这是是因因为为加加压压后后，，试试样样成成了了人人为为双双折折射射物物质质，，光光轴轴如如图图中中虚虚线线所所示示平平行行主主截截面面（（e光光一一非非常常光光））的的光光振振动动和和垂垂直直主主截截面面（（o光光一一寻寻常常光光））的的光光振振动动的的传传播播速速度度，，或或试试样样对对二二者者表表现现的的折折射射率率不不同同,e光光、、o 光光折折射射率率之之差差与与压压强强P的的关关系为：　系为：　ｎｎｅｅ－ｎ－ｎ００＝ＫＰ＝ＫＰ　式中　式中K为比例系数为比例系数•各向同性的透明材料，在压力或各向同性的透明材料，在压力或拉力作用下好似成了负的或正的拉力作用下好似成了负的或正的单轴晶体，光轴处于应力方位，单轴晶体，光轴处于应力方位，诱导出的双折射效应正比于应力诱导出的双折射效应正比于应力。

 2021/8/257弹　光　效　应弹　光　效　应•压压强强造造成成试试样样内内部部的的应应力力，，应应力力的的存存在在，，改改变变了了材材料料的的光光学学性性质质不不是是所所有有物物质质都都有有明明显显的的弹弹光光效效应应，，环环氧氧树树脂脂，，玻玻璃璃，，赛赛璐璐璐璐等等为弹光敏感物质为弹光敏感物质•    弹弹光光效效应应提提供供了了研研究究机机械械零零件件，，建建筑筑构构件件内内部部应应力力分分布布的的一一个个有有力力方方法法，，在在材材料料力力学学测测试试领领域域构构成成了了光光弹弹技技术术，，实实现现这这种种技技术术的的方方法法是是用用环环氧氧树树脂脂仿仿照照实实物物制制作作一一个个缩缩小小的的模模型型，，按按实实际际运运行行中中受受力力情情况况对对模模型型施施加加外外力力，，象象图图６６－－６６(b)那那样样将将模模型型置置于于两两个个光光轴轴互互相相垂垂直直的的偏偏振振片片之之间间，，通通过过偏偏振振片片2就就可可观观察察到到如如图图６６－－６６(C) 所所示示的的干干涉涉条条纹纹，，偏偏光光干干涉涉条条纹纹的的分分布布反反映映了了试试样样中中应应力力的的分分布布条条纹纹密密集集的的地地方方应应力力大大，，稀稀疏疏之之处处应应力力小小 ，，依依此此可可对对应应力力分分布布作作定定性性了了解解，，随随着着光光弹弹技技术术与与激激光光技技术术的的结结合合，，采采用用激激光光作作光光源发展出基于二次曝光的全息光弹技术，使光弹技术更趋完美。

源发展出基于二次曝光的全息光弹技术，使光弹技术更趋完美•    有有些些材材料料如如玻玻璃璃，，由由于于加加工工制制造造，，内内部部会会存存在在内内应应力力，，纵纵使使不不施施加加外外力力力力，，也也能能观观察察到到偏偏光光干干涉涉条条纹纹，，因因此此弹弹光光效效应应也也可可用用来来检查玻璃器件（如透镜）中是否存主内应力检查玻璃器件（如透镜）中是否存主内应力2021/8/258 第三节　　激光致冷和第三节　　激光致冷和“光镊光镊”效应效应 • 激光致冷的设想是激光致冷的设想是Theodor Hansch和和Arthur Schawlow于于  １９７５首先提出来的，它是１９７５首先提出来的，它是利利用激光的辐射压力阻尼中性气体用激光的辐射压力阻尼中性气体原子热运动达到降低温度的原子热运动达到降低温度的如图图6-7所示，在激光致冷实验中，所示，在激光致冷实验中，原子射束中的原子，使反向传播原子射束中的原子，使反向传播的激光束中的光子发生共振散射，的激光束中的光子发生共振散射，原子速度便减慢下来原子速度便减慢下来图6-7激光束对原子产生的散射力ｆ散      光光于于被被原原子子共共振振散散射射,可可分分成成两两步步来来考考虑虑:原原子子吸吸收收光光子子和和原原子子发发射射光光子子，，在在吸吸收收光光子子的的瞬瞬间间，，原原子子在在光光子子传传播播方方向向即即原原子子运运动动的的相相反反方方向向获获得得了了动动量量增增量量，，形形成成了了对对原原子子的的阻阻力力，，在在原原子子发发射射光光子子的的瞬瞬间间，，由由于于发发射射没没有有特特定定的的方方向向，，向向各各个个方方向向发发射射的的几几率率相相等等，，因因此此原原子子发发射射光光子子的的平平均均冲冲力力为为零零。

大大量量光光子子不不断断被被吸吸收收，，原原子子获获得得一一连连串串冲冲击击阻阻力力，，由由上上可可知知，，光光子子原原子子共共振振散散射射的的净净效效果果是是原原子子在在运运动动的的相相反反方方向向受受到到阻阻力力，，称称为为散散射射力力散散射力大小比例于光子动量和散射速率（即单位时间内原子散射光子数目）射力大小比例于光子动量和散射速率（即单位时间内原子散射光子数目）    在在共共振振散散射射时时，，散散射射力力最最大大,随随着着原原子子速速度度减减小小,由由于于多多普普勒勒效效应应，，共共振振散散射射条条件件得得不不到到满满足足，，阻阻尼尼效效果果变变坏坏为为了了在在原原子子减减慢慢下下来来时时，，仍仍保保持持大大的阻尼散射力，一个曾经用过的方法是调谐激光频率，以抵消多普勒频移的阻尼散射力，一个曾经用过的方法是调谐激光频率，以抵消多普勒频移2021/8/259• 一一个个无无需需调调谐谐光光频频率率的的方方法法是是采采用用两两束束反反向向传传播播的的激激光光照照射射中中性性原原子子，，一一束束与与中中性性原原子子运运动动方方向向相相反反，，一一束束与与中中性性原原子子运运动动方方向向相相同同。

由由于于多多晋晋勒勒效效应应，，中中性性原原子子感感受受到到反反向向传传播播的的光光束束其其频频率率升升高高，，而而同同向向光光束束频频率率降降低低对对于于前前者者，，光光子子的的散散射射几几率率较较大大，，所所以以二二者者的的总总效效果果仍仍然然是是在在与与中中性性粒粒子子运运动动的的相相反反方方向向产产生生散散射射力力为为了了使使中中性性原原于于的的三三维维运运动动受受到到阻阻尼尼，，需需使使用用三三组组互互相相垂垂直直的的反反向向传传播播的的激激光光束束照照射射中中性性原原子子,这这样样,中中性性原原子子各各方位的热运动被减慢而冷却，即方位的热运动被减慢而冷却，即激光致冷原理激光致冷原理•    利利用用激激光光冷冷却却原原子子或或离离子子，，使使速速度度减减慢慢甚甚至至静静止止，，用用激激光光已已可可冷冷却却到到“毫毫升升”的的范范围围，，新新近近已已用用激激光光使使一一束束钠钠原原子子实实际际上上达达到到了了静静止止状状态态激激光光致致冷冷的的主主要要动动机机是是要要消消除除发发光光原原子子一一级级多多普普勒勒频频移移和和二二级级多多普普勒勒频频移移（（对对后后者者，，频频移移与与粒粒子子动动能能成成正正比比）），，以以建建立立更更好好的的频频率率标标准准，，已已有有人人建建议议将将光光学学频频标标作作为为下下一一代代原原子子钟钟的的候候选选者者。

频频标标对对计计时时、、导导航航和和精精密密计计量量极极为为重要•    如如果果使使光光束束的的光光强强形形成成一一定定的的分分布布（（如如高高斯斯型型的的光光强强分分布布）），，光光场场从从中中性性粒粒子子诱诱导导的的偶偶极极子子将将趋趋于于移移到到局局部部光光强强极极大大处处，，这这样样一一个个光光束束的的中中心心线线好好象象一一个个中中性性粒粒于于的的“陷陷阱阱”，，能能抓抓住住或或陷陷入入冷冷却却的的中中性性粒粒子子，，使使之之随随着着光束的移动而移动，这光束象一把镊于光束的移动而移动，这光束象一把镊于，这现象称为，这现象称为“光镊光镊”效应效应•利利用用激激光光的的“光光镊镊”效效应应可可以以捕捕获获并并操操纵纵中中性性粒粒子子，，“光光镊镊”技技术术在在细细胞胞、、线线粒粒体体和和染染色色体体等等三三个个不不同同生生物物学学层层次次的的研研究究中中有有重重要要的的应应用用，，己己有有人人利利用用“光镊光镊”于将单个于将单个DNA分子拉直，观察微生物在光镊中的运动等分子拉直，观察微生物在光镊中的运动等2021/8/2510 第四节　麦克斯韦－瓦格纳效应第四节　麦克斯韦－瓦格纳效应 •设设想想电电容容器器的的两两个个极极板板间间填填满满介介电电常常数数ｉｉ和和电电导导率率 i　　不不同同的的不不均均匀匀物物质质，，当当施施加加阶阶跃跃电电压压时时，，在在开开始始瞬瞬间间，，电电势势分分布布仅仅决决定定于于介介电电常常数数ｉｉ的的分分布布，，与与电电导导率率 i（（或或电电阻阻率率ｉｉ＝＝1/ i））无无关关。

但但电电势势的的稳稳定定分分布布仅仅决决定定于于电电阻阻率率ｉｉ的的分分布布这这里里是是按按非非常常理理想想的的情情况况，，忽忽略略不不同同介介质质边边界界上上电荷积累的影响考虑的电荷积累的影响考虑的       这这种种非非均均匀匀介介电电常常数数短短时时间间（（或或高高频频））的的“电电容容性性”电电压压分分布布，，演演变变为为非非均均匀匀电电阻阻率率的的长长时时间间（（或或低低频频））的的电电阻阻性性电电压压分分布布的的弛弛豫豫现现象象，，称称为为麦麦克克斯斯韦－瓦格纳效应韦－瓦格纳效应2021/8/2511 麦克斯韦－瓦格纳效应麦克斯韦－瓦格纳效应 •可以通过分析如图可以通过分析如图6-8所示的双层所示的双层结构来理解这个效应结构来理解这个效应,图图(a) 表示介表示介电常数和电导率分别为电常数和电导率分别为 １１、、２２ 和和  １１、、 ２２的双层结构，图（的双层结构，图（b））表示它的等效电路如果给图表示它的等效电路如果给图(b) 电路加一电路加一阶跃电压阶跃电压, 这阶跃电压的这阶跃电压的前沿突变部分对应着高频分量前沿突变部分对应着高频分量，，平顶恒定部分对应低频或直流分平顶恒定部分对应低频或直流分量量，电容对高频分量显示低阻抗，，电容对高频分量显示低阻抗，对低频分量显示高阻抗，对直流对低频分量显示高阻抗，对直流分量相当无穷大阻抗。

分量相当无穷大阻抗 图６－８双层电容和它的等效电路 阶阶跃跃的的起起始始时时刻刻（（高高频频作作用用）），，电电容容C阻阻抗抗小小，，相相对对来来说说，，电电阻阻可可看看成成断断路路，，因因此此电电压压按按电电容容分分布布，，当当长长时时稳稳定定后后（（直直流流作作用用））与与电电阻阻相相比比，，电电容容可可以以看看成成断断路路，，电电压压按按电电阻阻分分布布，，由由电电压压按按电电容容分分布布转转变变为为电电压压按按电电阻阻分分布布，，这这会会有有一一个个过过渡渡（（弛弛豫豫））过过程程，，这这可可以以依依欧欧姆姆定定律律列列出出微微分分方方程程来来求求解解电电压压分分布布的的时时间间变变化化对对于于１１、、、、 １１混混杂杂分分布布的的介介质质，，可可以以想想象象成成一一个个复复杂杂阻阻容容网网络络，，在在复复杂杂网网络络某某两两点点之之间间接接入入驱驱动动电电压压，，然然后后探探测测各各点点的的电电势势分分布布，，电电势势的的分分布布与与阻阻容容（（１１、、、、 １１））分分布布相相关关联联利利用用这这个个道道理理可可以以获获取取材材料料的的电电阻阻抗抗的的“像像”，，以以确确定定不不均均匀匀系系统统的的局局域域状状况况，，这这种种技技术术已已经经成成功功地地在在生生物物系系统统和和医医疗疗中中得得到到应应用用，，可可以以形形成成类类似似CT一一样样的的断断层层照片。

照片2021/8/2512第五节　卡斯米尔效应第五节　卡斯米尔效应 •什什么么是是真真空空？？真真空空词词容容易易使使人人想想到到一一无无所所有有可可能能还还有有人人保保待待着着１１7世世记记智智者者的的观观念念认认为为创创造造一一个个真真空空就就是是将将其其中中的的物物质质掏掏空空，，特特别别是是要要把把气气体体抽抽走走到到１１９９世世纪纪末末2００世世纪纪初初，，人人们们了了解解了了热热辐辐射射，， 于于是是觉觉得得17世世纪纪的的真真空空观观念念中中，，原原来来也也不不是是一一无无所所有有，，里里面面还还有有热热辐辐射射呢呢自自然然有有人人想想到到热热辐辐射射是是可可以以通通过过降降低低温温度度来来减减弱弱的的，，减减到到绝绝对对零零度度热热辐辐射射便便被被彻彻底底消消除除了了达达到到绝绝对零度是否达到了真正的真空？对零度是否达到了真正的真空？•1948年年荷荷兰兰菲菲利利普普研研究究所所的的ＨＨ．．ＢＢ．．ＧＧ．．卡卡斯斯米米尔尔做做实实验验、、研研究究靠靠得得很很近近的的金金属属板板之之间间的的力力当当然然，，板板上上若若带带正正负负电电荷荷q，，近近似似成成无无限限平平板板，，根根据据静静电电学学可可以以预预见见它它们们之之间间的的相相互互吸吸引引力力为为ＦＦ＝＝q2 / 20S　　 (S为为平平板板面面积积)，，这这已已作作为为习习题题 编编人人了了许许多多大大学学物物理理教教科科书书中中，，卡斯米尔实验和分析的不是这种带电的情形。

卡斯米尔实验和分析的不是这种带电的情形        不不带带电电的的两两块块金金属属板板，，相相距距很很近近时时会会产产生生一一种种相相互互吸引的力，这称为卡斯米尔效应吸引的力，这称为卡斯米尔效应2021/8/2513卡斯米尔效应卡斯米尔效应        设设想想空空间间没没有有任任何何气气体体分分于于，，但但存存在在热热辐辐射射，，每每块块板板的的两两面面都都受受到到电电磁磁波波的的撞撞击击（（反反射射波波、、入入射射波波形形成成如如图图６６－－９９（（b））的的驻驻波波）），，力力趋趋于于抵抵消消，，但但不不是是完完全全抵抵消消，，还还有有一一部部分分抵抵消消不不了了的的残残余余力力，，这这力力与与板板面面积积成成正正比比，，还还决决定定干干两两板板之之间间的的距距离离和和电电磁磁辐射的能谱，方向趋于使两板靠近辐射的能谱，方向趋于使两板靠近图图６６－－９９（（ｂｂ））表表明明电电磁磁波波反反射射形形成成驻驻波波的的示示意意，，在在两两板板之之外外的的空空间间，，各各种种波波长长的的驻驻波波都都可可形形成成，，而而两两板板之之间间垂垂直直板板面面的的方方位位   ＞＞ 2ＤＤ 的的电电磁磁波波不不能能形形成成驻驻波波，，对对一一块块板板来来说说，，明明显显地地出出现现了了不不平平衡衡。

热热辐辐射射在在温温度度降降至至0 ° K使使消消失失，，因因此此在在0 ° K下下，，两两板板的的吸吸力力应应消消除除，，但但实实验验否否定定了了这这一一预预言2021/8/2514卡斯米尔效应卡斯米尔效应•1958年年荷荷兰兰物物理理学学家家M.J.Sparnaay在在卡卡斯斯米米尔尔设设想想下下进进行行了了一一系系列列实实验验，，发发现现温温度度降降到到极极低低，，力力也也不不趋趋于于零零，，纵纵使使0°K，，这这残残余余力力仍仍存存在在，，且且查查清清这这力力与与板板面面积积成成正正比比，，与与两两板板间间距距离离的的四四次次方方成成反反比比，，比比例例常常数数为为1.3X10-18尔尔格格·厘厘米米当面积为１ｃｍ当面积为１ｃｍ２２相距相距0.5m，两板间的卡斯米尔力相当于，两板间的卡斯米尔力相当于0.2毫克力•这这就就说说明明，，纵纵使使0°K，，真真空空也也不不是是一一无无所所有有，，仍仍然然存存在在电电磁磁辐辐射射场场, 这这辐辐射射称称为为零点辐射零点辐射正是这种辐射场形成了正是这种辐射场形成了Sparnaay 所测量到的两板吸引力所测量到的两板吸引力•真真空空似似空空非非空空，，纵纵使使空空间间不不存存在在实实物物，，也也不不存存在在热热辐辐射射，，那那空空间间仍仍存存在在零零点点电电磁辐射场，它是真空固有的特征，是目前还无法消除的。

磁辐射场，它是真空固有的特征，是目前还无法消除的•卡卡斯斯米米尔尔实实验验中中测测得得的的力力有有两两个个分分量量，，一一是是热热辐辐射射产产生生的的力力，，它它正正比比于于温温度度，，反反比比于于两两板板间间距距离离的的三三次次方方，，这这个个力力到到0K时时消消失失；；另另一一个个分分量量是是零零点点电电磁磁场场产生的，它与温度无关，与两板间距离的四次方成反比产生的，它与温度无关，与两板间距离的四次方成反比•零零点点辐辐射射有有什什么么特特点点？？它它应应该该是是空空间间均均匀匀、、各各向向同同性性的的、、零零点点辐辐射射能能谱谱应应与与观观察察者者速速度度无无关关为为了了保保持持洛洛仑仑兹兹变变换换下下的的能能谱谱不不变变性性，，任任意意频频率率的的辐辐射射强强度度应应与与频频率率的的三三次次方方成成正正比比，，比比例例常常数数为为普普朗朗克克常常数数之之半半，，即即3.3x10-27尔尔格格·秒秒，，只只有有这这样样才才能能使使频频率率随随观观察察者者速速度度的的变变化化（（多多普普勒勒效效应应））与与强强度度随随观观察察者者速速度度的的变化相抵偿，而使频谱与观察者速度无关变化相抵偿，而使频谱与观察者速度无关。

•卡卡斯斯米米尔尔和和Sparnaay的的实实验验表表明明零零点点电电磁磁场场的的存存在在对对零零点点场场正正在在探探索索中中, 随随机电动力学是探讨零点场的理论之一机电动力学是探讨零点场的理论之一2021/8/2515第六节第六节   同位素效应与激光同位素分离同位素效应与激光同位素分离 •原原子子核核中中质质于于数数相相同同、、中中子子数数不不同同、、处处于于元元素素周周期期表表中中同同一一位位置置的的原原子子谓谓之之同同位位素素或或者者说说是是同同一一元元素素的的不不同同原原子子，，它它是是1910年年索索迪迪根根据据放放射射性性的的实实验验事事实实发发现现的的，，并并因因此此于于1921年年获获得得了了诺诺贝贝尔化学奖尔化学奖•每每种种元元素素的的同同位位素素数数目目不不同同，，有有的的具具有有3种种、、4种种、、甚甚至至10种种同同位位素素如如锡锡））也也有有仅仅1种种原原子子的的元元素素如如铍铍)最最普普通通的的氢氢元元素素有有3种种同同位位素素，，分分别别为为氕氕(氢氢)、、氘氘(重重氢氢)、、氚氚(超超重重氢氢)，，氕氕与与氧氧生生成成普普通通水水（（H2O）），，氘氘与与氧氧气气生生成成重重水水（（HDO，，H2O））。

铀铀有有ＵＵ２２３３４４、、ＵＵ２３５２３５、Ｕ、Ｕ２３８２３８三种同位素三种同位素•同同位位素素的的主主要要差差别别表表现现在在核核性性质质上上，，原原子子核核的的体体积积大大小小，，核核电电荷荷的分布是不同的的分布是不同的. 核性质差别首先表现在放射性上核性质差别首先表现在放射性上•如如ＵＵ(铀铀)的的三三种种同同位位素素中中,U235在在热热中中子子和和慢慢中中子子作作用用下下会会发发生生裂裂变变反反应应；；U238仅仅在在快快中中子子作作用用下下才才发发生生裂裂变变反反应应；；U234无无论论在在什什么么情情况况下下也也不不发发生生裂裂变变硼硼的的两两种种同同位位素素中中，，ＢＢ10能能有有效效地地吸吸收收热热中中子子，，而而B11不具这种特性，故不具这种特性，故B10可做核反应堆的控制捧材料可做核反应堆的控制捧材料2021/8/2516同位素效应与激光同位素分离同位素效应与激光同位素分离•然然而而，，同同种种元元素素的的同同位位素素的的物物理理化化学学性性质质却却很很相相似似通通常常同同种种元元素素的的同同位位素素混混合合在在一一起起参参与与化化学学反反应应和和物物理理变变化化，，如如水水在在一一个个大大气气压压下下于于１１００００°C沸沸腾腾，，人人们们几几乎乎未未能能感感受受到到含含量量极极微微的的重重水水对对沸沸点点的的影影响响；；同同位位素素的的化化学学性性质质也也基基本本相相同同，，在在低低分分辩辩率率的的光光谱谱仪仪中中，，它它们们的的光光谱谱特特性性大大致致相相同同，，倘倘若若采采用用足足以以看看清清光光谱谱超超精精细细结结构构的的高高分分辩辩率率光光谱谱仪仪，，同同种种元元素素的的同同位位素素的的光光谱位移和差别就可展现在眼前。

谱位移和差别就可展现在眼前•这种这种同位素光谱频率的微小位移同位素光谱频率的微小位移，称为同位素效应称为同位素效应同位素频谱的位移是由于核质量、核体积和核电荷分布同位素频谱的位移是由于核质量、核体积和核电荷分布的不同所致通过分析研究，质量引起的位移效应和体的不同所致通过分析研究，质量引起的位移效应和体积引起的位移效应正好相反积引起的位移效应正好相反2021/8/2517同位素效应与激光同位素分离同位素效应与激光同位素分离•相相对对位位移移    /    1 / M2（（M为为原原子子核核质质量量）），，对对中中子子数数小小于于５５００的的轻轻元元素素，，同同位位素素频频移移主主要要来来自自于于质质量量效效应应；；对对中中于于数数大大于于５５００的的重重元元素素，，同同位位素素效效应应主主要要来来自自体体积积因因素素同同种种元元素素同同位位素素光光谱谱有有位位移，说明同位素的能级结构有差别移，说明同位素的能级结构有差别•同同位位素素的的应应用用极极为为广广泛泛，，可可以以用用作作核核燃燃料料，，如如铀铀２２３３５５，，钚钚２２３３９９等等是是用用于于原原子子弹弹和和核核反反应应堆堆的的重重要要核核燃燃料料，，氘氘、、氚氚是是核核聚聚变变的的重重要要燃燃料料，，同同位位素素在在能能源源舞舞台台扮扮演演着着重重要要角角色色。

放放射射性性同同位位素素，，可可以以作作为为“示示踪踪原原子子”探探索索复复杂杂、、微微妙妙的的物物理理化化学学过过程程和和有有机机体体中中的的新新陈陈代代；；医医学学上上可可以以用用同同位位素素进进行行诊诊断断和和治治疗疗，，以以及及药药理理生生理理研研究究，，，，总总之之，，同同位位素已广泛用于工、农，医、科学研究的各个方面素已广泛用于工、农，医、科学研究的各个方面•同同位位素素有有如如此此广广泛泛的的应应用用，，从从混混合合物物中中分分离离出出同同位位素素就就显显得得特特别别重重要要历历史史上上，，人人们们曾曾采采用用过过多多种种方方法法来来分分离离同同位位素素，，如如电电磁磁分分离离法法、、气气体体扩扩散散法法、、气气体体离离心心法法，，化化学学交交换换法法等等电电磁磁分分离离法法是是将将同同位位素素高高温温汽汽化化并并电电离离，，然然后后通通过过一一个个磁磁场场区区，，利利用用洛洛论论兹兹力力，，使使质质量量不不同同的的同同位位素素分分离离，，与与通通常常所所说说的的质质谱谱仪仪的的原原理理一一样样；；气气体体扩扩散散法法是是让让气气体体通通过过多多级级多多孔孔膜膜进进行行扩扩散散，，跑跑在在最最前前面面的的是是那那些些质质量量小小的的同同位素。

位素2021/8/2518图６－１０　激光同位素分离 •随着单色性好、强度极高的随着单色性好、强度极高的激光的出现，兴起了一种新激光的出现，兴起了一种新的同位素分离方法－一激光的同位素分离方法－一激光同位素分离它依据的就是同位素分离它依据的就是同位素效应，循同位素原子同位素效应，循同位素原子光谱或同位素化合物的分子光谱或同位素化合物的分子光谱上的差别或频移，利用光谱上的差别或频移，利用激光的高度单色性、高强度激光的高度单色性、高强度和频率可调，将同位素混合和频率可调，将同位素混合物中感兴趣的某种同位素物中感兴趣的某种同位素•激发到高能级激发态，而其它同位素未受激发，利用受激同位素原子激发到高能级激发态，而其它同位素未受激发，利用受激同位素原子(或或分子）与未受激同位素在物理或化学性质上的不同，再采用适当的物理或分子）与未受激同位素在物理或化学性质上的不同，再采用适当的物理或化学方法将它们分离化学方法将它们分离,其方法有光电离法、光压法、光化学法等其方法有光电离法、光压法、光化学法等.图６图６-10(a)表明了两种同位素的能级位移，实线代表一种同位素的基态、激发态和电表明了两种同位素的能级位移，实线代表一种同位素的基态、激发态和电离态能级，虚线代表另一种同位素的对应能级。

用一束单色性极好、频率离态能级，虚线代表另一种同位素的对应能级用一束单色性极好、频率为为 １１的激光的激光,照射同位素混合气照射同位素混合气,由于光子的单色性，仅使ｈ由于光子的单色性，仅使ｈ １１ｅ１ｅ１ｇｇ的那种同位素共振跃迁到激发态，其它同位素仍处于基态处于激发态的那种同位素共振跃迁到激发态，其它同位素仍处于基态处于激发态的同位素容易电离，若再以另一频率为的同位素容易电离，若再以另一频率为 ２２的激光照射，处于激发态的同的激光照射，处于激发态的同位素便电离成正离子，具有负高压的收集极便可将正离子收集，以达分离位素便电离成正离子，具有负高压的收集极便可将正离子收集，以达分离目的，这就是光电离法的原理，图６目的，这就是光电离法的原理，图６-10(b)示意地表明了这一过程示意地表明了这一过程 2021/8/2519同位素效应与激光同位素分离同位素效应与激光同位素分离•图６－１１表明了激光光压法分离同位素的过程图６－１１　光压法图６－１１　光压法      从从原原子子炉炉中中蒸蒸发发出出来来的的原原子子束束，，受受到到垂垂直直方方向向射射来来的的激激光光照照射射，，使使其其中中的的一一种种同同位位素素处处于于共共振振激激发发态态，，并并受受到到光光压压力力,从从而而发发生偏折而被分离出来。

生偏折而被分离出来•激光同位素分离获得重视，那是因为它较常规分离法有分离系数高的优点2021/8/2520 第七节　正、负电湮灭效应第七节　正、负电湮灭效应 •由由薛薛定定谔谔方方程程描描绘绘的的非非相相对对论论量量子子理理论论臻臻于于完完善善以以后后，，物物理理学学家家们们谋谋划划着着把把20世世纪纪两两个个重重要要的的理理论论－－量量子子论论和和相相对对论论统统一一起起来来1928年年著著名名的的理理论论物物理理学学家家保保罗罗·狄狄拉拉克克首首先先提提出出了了服服从从相相对对性性原原理理的的电电子子波波动动方方程程（（后后人人称称为为狄狄拉拉克克方方程程））这这方方程程成成功功地地得得出出了了相相对对论论电电子子定定有有自自旋旋，，但但奇奇怪怪的的是是狄狄拉拉克克方方程程还还出出现现了了负负能能解解，，狄狄拉拉克克没没有有把把它它看看作作没没有有意意义义而而抛抛弃弃掉掉相相反反,他他提提出出了了各各种种假假设设,追逐负能解的内涵追逐负能解的内涵,最后预示自然界有正电子存在最后预示自然界有正电子存在•1932年年8月月20日日ＣＣ．．ＤＤ．．安安德德森森从从威威尔尔逊逊云云雾雾室室的的宇宇宙宙射射线线径径迹迹照照片片中中，，发发现现了了正正电电子子的的行行踪踪，，终终于于证证实实了了狄狄拉拉克克的的预预见见，，窥窥视视到到了了第第一一个个反反粒粒子子。

正正电电子子有有与与电电子子相相同同的的质质量量和和自自旋旋，，自自旋旋也也为为1/2，，它它的的电电量量和和磁磁矩矩大大小小也也与电子相同，只是符号相反与电子相同，只是符号相反2021/8/2521•正正电电子子不不象象电电子子那那样样易易于于为为人人们们观观察察到到，，那那是是因因为为它它在在物物质质中中的的寿寿命命太太短短，，真真是是“匆匆匆匆湮湮灭灭世世间间”，，当当一一个个正正电电子子和和一一个个负负电电了了相相遇便会湮灭成了光子正、负电子湮灭过程可表为　遇便会湮灭成了光子正、负电子湮灭过程可表为　•     ｅｅ＋＋＋ｅ＋ｅ－－＝ｎ＝ｎ                 ｎｎ    2 的整数，的整数，•最最常常见见的的是是湮湮灭灭成成2个个或或3个个   光光子子在在自自由由空空间间正正负负电电子子绝绝不不会会湮湮灭灭成成一一个个   光光子子，，因因为为这这样样的的话话，，不不能能使使能能量量守守恒恒和和动动量量守守恒恒都都得得到到满满足足，，只只有有存存在在能能吸吸收收反反冲冲动动量量的的第第三三者者时时才才有有可可能能显显然然让让正正电电子子去去撞撞击击大大块块凝凝聚聚物物能能观观察察到到正正、、负负电电子子湮湮灭灭效效应应。

问问题是从哪里得到正电子？题是从哪里得到正电子？•做做正正、、负负电电于于湮湮灭灭实实验验时时，，是是用用放放射射性性同同位位素素２２２２Na、、６６４４ＣＣu、、５５８８ＣＣｏｏ等等作作为为正正电电子子发发射射源源进进入入凝凝聚聚物物的的正正电电子子在在和和物物质质原原子子碰碰撞撞时时，，在在约约１１Ps（（皮皮秒秒））的的极极短短时时间间内内首首先先失失去去它它的的大大部部分分动动能能注注入入的的平平均均射射程程在在10～～1000 m之之间间，，变变慢慢的的正正电电子子在在物物质质中中漫漫游游，，最最终终与与周周围围介介质质中中的的一一个个电电子子发发生生湮湮灭灭，，在在多多数数情情况况下下变变成成了了两两个个能能量量为为511keV的的   光光子子正正电电子子在在物物质质中中的的平平均均寿寿命命在在100－－500 Ps间间变变化化，，平平均均寿寿命命反反映映材材料料特特征征对对某某些些物物质质，，变慢的正电子也可俘获一个电子组成类氢变慢的正电子也可俘获一个电子组成类氢“原子原子”，称为电子偶素称为电子偶素2021/8/2522•图图６６－－１１２２（（ａａ））表表明明正正电电子子在在凝凝聚聚物物中中湮湮灭灭实实验验的的大大致致过过程程。

实实验验采采用用２２２２Nａａ作作为为正正电电子子源源，，在在射射出出正正电电子子的的几几个个皮皮秒秒内内，，２２２２Na核核还还放放射射一一个个能能量量为为１１．．２２８８MeV的的   光光子子，，它它可以作为起始信号可以作为起始信号图6-12  正、负电子湮灭        进进入入凝凝聚聚物物的的正正电电子子与与电电子子发发生生湮湮灭灭，，转转变变成成两两个个能能量量为为511keV的的   光光子子根根据据起起始始   光光子子和和湮湮灭灭   光光于于之之间间的的时时间间延延迟迟，，就就能能测测量量正正电电子子在在材材料料中中的的寿寿命命在在湮湮灭灭前前，，电电子子一一正正电电子子对对的的动动量量，，转转交交给给了了湮湮灭灭后后生生成成的的   光光子子，，这这个个动动量量可可以以通通过过测测量量两两个个511keV光光子子的的方方向向与与共共线线的的小偏角小偏角   检测出来（参看图６－１２（检测出来（参看图６－１２（b））2021/8/2523正、负电湮灭效应正、负电湮灭效应•按按照照狄狄拉拉克克对对产产生生两两个个   光光子子的的正正、、负负电电子子湮湮灭灭过过程程的的推推导导，，可可以以得得到到单单位位时时间间内内的的湮湮灭灭几几率率或或湮湮灭灭率率为为：：　　 　　           　＝　　＝　 ｒｒ００２２ＣｎＣｎｅｅ•它它与与正正电电子子的的速速度度无无关关，，式式中中ｒｒ００、、C分分别别为为经经典典电电子子半半径径和和光光速速，，ｎｎｅｅ是是正正电电子子所所在在处处的的电电子子密密度度。

湮湮灭灭率率的的倒倒数数等等于于正正电电子子的的平平均均寿寿命命   ，，通通过过测测量量正正电电子子在在材材料料中中的寿命便可检测到材料中的电子密度ｎ的寿命便可检测到材料中的电子密度ｎｅｅ• 在在实实验验室室坐坐标标系系，，正正、、负负电电子子总总动动量量不不是是零零，，而而是是如如图图６６－－１１３３（（b））所所示示的的ＰＰ（（ＰＰ分分解解为为横横向向分分量量ｐｐｔｔ和和纵纵向向分分量量ｐｐ ）），，因因此此湮湮灭灭后后两两个个了了光光子子运运动动的的方方向向会会偏偏离离共共线线 角，因角，因 很小　　很小　　•             Ｐｔ／ｍＰｔ／ｍ００ＣＣ•式式中中ＰＰｔｔ是是正正、、负负电电子子对对的的动动量量在在垂垂直直于于光光子子发发射射方方向向上的分量上的分量2021/8/2524正、负电湮灭效应正、负电湮灭效应•慢慢化化的的正正电电子子动动量量近近乎乎零零，，所所以以与与偏偏角角  关关联联的的是是被被湮湮灭灭的的电电子子的的动动量量，，湮湮灭灭产产生生的的   光光子子按按角角度度   的的分分布布反反映映了了材材料料中中电电子子动动量量的的分分布布，，所所以以通通过过测测量量   光光子子按按偏偏角角   的的分分布布可可以以探探测测材料中电子的动量分布材料中电子的动量分布。

•正正电电子子对对固固体体中中的的点点阵阵缺缺陷陷敏敏感感，，正正电电子子会会被被缺缺陷陷吸吸引引和和俘俘获获，，它它倾倾向向于于寻寻找找晶晶体体中中离离子子密密度度低低于于平平均均值值的的那那些些区区域域用用正正电电子子湮湮灭灭方方法法研研究究凝凝聚聚物物中中缺缺陷陷浓浓度度、、组组态态和和内内部部结结构构的的兴兴趣正急剧增长趣正急剧增长•现现在在，，正正电电子子谱谱仪仪已已作作为为商商品品出出售售，，人人们们还还在在努力发展正电子显微术努力发展正电子显微术2021/8/2525第八节第八节   同步辐射效应同步辐射效应 •经典电动力学断言：经典电动力学断言：带带电粒子作加速运动便会电粒子作加速运动便会辐射电磁波辐射电磁波当电子作当电子作圆周运动，照理应辐射圆周运动，照理应辐射电磁波或光波，电磁波或光波，1947年年在同步加速器上首次观在同步加速器上首次观察到了这种光辐射察到了这种光辐射图６－１４　同步辐射图６－１４　同步辐射 •如图６－１４所示，在电子同步加速器或电子存储环中，如图６－１４所示，在电子同步加速器或电子存储环中，高能电子在强大磁场偏转力的作用下作圆周运动，发射高能电子在强大磁场偏转力的作用下作圆周运动，发射很强的光辐射，称为很强的光辐射，称为同步辐射同步辐射。

由于电磁辐射消耗掉被由于电磁辐射消耗掉被加速电子的能量，电子能量越高，辐射损耗越大，这就加速电子的能量，电子能量越高，辐射损耗越大，这就限制了加速器中电子能量的提高，加速粒了来说，这效限制了加速器中电子能量的提高，加速粒了来说，这效应是不利的应是不利的2021/8/2526•同步辐射的可贵特点是：同步辐射的可贵特点是：•(１１) 强度高、稳定性好强度高、稳定性好一个圆轨道上运动的电子发射光辐射，其辐射强一个圆轨道上运动的电子发射光辐射，其辐射强度依赖于电子的能量度依赖于电子的能量E和轨道半径Ｒ，辐射功率为和轨道半径Ｒ，辐射功率为• • 第八节第八节   同步辐射效应同步辐射效应1949年逊格耳（年逊格耳（Schwinger）从理论上计算了同步辐射的能耗，）从理论上计算了同步辐射的能耗，能量按频率的分布和按角度的空间分布能量按频率的分布和按角度的空间分布1956年汤博林年汤博林（（Tomboulian）和哈特曼）和哈特曼(Hartman)对美国康奈尔大学一台对美国康奈尔大学一台300MeV电子同步加速器产生的同步辐射作了实验研究，测定了能谱分布和电子同步加速器产生的同步辐射作了实验研究，测定了能谱分布和强度的角分布，发现同步辐射具有高强度、光谱范围宽、光强度角强度的角分布，发现同步辐射具有高强度、光谱范围宽、光强度角分布窄，稳定性好等优点，这一探索为同步辐射的应用打开了广阔分布窄，稳定性好等优点，这一探索为同步辐射的应用打开了广阔的前景的前景 P＝＝2e2C（（E））43R2m0C2•它它的的辐辐射射强强度度与与激激光光相相当当。

式式中中C为为光光速速，，ｍｍ００为为电电子子静静止止质质量量，，由由于于电电子子存存储储环环中中电电了了的的能能量量可可准准确确调调节节，，所所以以同同步步辐辐射射的的稳稳定定性性好好在在同同步步加加速速器器中中，，电电子子的的加加速速是是在在加加速速区区实实现现的的，，电电子子是是一一股股一一股股册册地地间间歇歇式式地地注注入入轨轨道道，，轨道被成股的电子充满，所以观察者观察到一系列强而窄的光脉冲轨道被成股的电子充满，所以观察者观察到一系列强而窄的光脉冲2021/8/2527•（（２２））角角分分布布窄窄以以接接近近光光速速做做圆圆运运动动的的电电子子，，其其光光辐辐射射几几乎乎集集中中在在以以电电子子行行进进方方向向（（轨轨道道切切线线方方向向））为为中中心心的的细细长光锤内，图中所示辐射的半角宽度：长光锤内，图中所示辐射的半角宽度：•     　＝　ｍ　＝　ｍ００ＣＣ２２／Ｅ／Ｅ，，                E＝＝500MeV时，时， 　　 　　1弧度弧度.•（（３３））谱谱范范围围特特别别宽宽可可发发生生从从红红外外直直至至硬硬ＸＸ射射线线的的强强光光在轨道平面发射的还是很纯的线偏振光。

在轨道平面发射的还是很纯的线偏振光•     统统而而观观之之，，同同步步辐辐射射是是频频谱谱宽宽、、强强度度大大、、稳稳定定性性好好的的脉脉冲冲式式偏偏振振光光源源鉴鉴于于这这些些优优点点，，它它是是进进行行光光谱谱实实验验的的理理想想光光源源利利用用它它，，可可以以在在很很宽宽频频域域内内得得到到材材料料的的吸吸收收光光谱谱a（（ ））和和反反射射光光谱谱R（（ ）），，它它们们为为核核查查材材料料的的能能带带结结构构、、电子态密度，为了解能量转移等过程提供有用的信息电子态密度，为了解能量转移等过程提供有用的信息•利利用用这这种种光光源源获获取取固固体体能能谱谱、、进进行行表表面面势势垒垒、、表表面面性性质质，，电电了了能能态态密密度度的的研研究究同同步步辐辐射射产产生生的的ＸＸ射射线线可可用用于于晶晶体体结结构构分分析析，，观观察察晶晶体体缺缺陷陷和和形形貌貌，，由由于于辐辐射射产产生生的的ＸＸ射射线线强强度度大大，，完完全全偏偏振振性性，，有有利利于于探探测测灵灵敏敏度度的的提提高高，，有有利利于于各各向向异异性性的的研研究究同同步步辐辐射射产产生生的的软软ＸＸ射射线线在在微微电电子子制制造造业中还可用于光刻。

业中还可用于光刻2021/8/2528第九节     磁共振效应与核磁共振成像像 • 在在第第三三章章第第１１节节，，曾曾述述及及一一个个磁磁矩矩为为   的的磁磁性性原原子子，，处处于于外外加加静静磁磁场Ｂ场Ｂ００中，一个能级会分裂为多个能级，这称为塞曼效应中，一个能级会分裂为多个能级，这称为塞曼效应• 磁矩磁矩   和角动量和角动量 l 成比例，即成比例，即:   µ ＝＝ γ l•γ 为为旋旋磁磁比比，，γ　　　　００，， 与与 l 同同向向；；γ  ００ ,  与与 l反反向向，，电电子子的的运运动动属属于于这这种种情情形形如如果果表表征征角角动动量量 l大大小小的的角角量量子子数数为为L，，则则该该角角动动量量对对应应的的能能级级在在静静磁磁场场中中将将分分裂裂为为2L十十1个个能能级级，，在在理理想想情情况况下下，，分裂能级的间距为：分裂能级的间距为：        E ＝＝ 2　　ｚｚ ＢＢ００•ｚｚ 为磁矩为磁矩  在静磁场Ｂ在静磁场Ｂ００方向的投影方向的投影 •1.电子磁矩与电子自旋共振（电子磁矩与电子自旋共振（EPR））•    电电子子有有自自旋旋角角动动量量和和自自旋旋磁磁矩矩，，也也相相当当一一个个小小磁磁铁铁，，但但电电了了自自旋旋角角动动量量量量子子数数S＝＝1/2，，所所以以电电子子自自旋旋处处于于静静磁磁场场中中只只能能分分裂裂出出2S+1=2个能级，按上式，其能级间距：个能级，按上式，其能级间距：ΔE=2μBB0•电子自旋磁矩　　电子自旋磁矩　　ＳＳ＝ｇ＝ｇＳＳ｛Ｓ（Ｓ＋１）｝｛Ｓ（Ｓ＋１）｝１／２１／２ ＢＢ•式中式中μB为玻耳磁子，为玻耳磁子，g S为电子自旋的　为电子自旋的　g　因子。

　因子 2021/8/2529电子磁矩与电子自旋共振（EPR） •在在外外磁磁场场中中，，电电子子自自旋旋磁磁矩矩μs只只允允许许有有两两个个取取向向，，这这两两个个取取向向使使μs在在B0方方向向的的投投影影分分别别为为μB和和－－μB即即平平行行和和反反平平行行于于B0，，如如图图6-18所所示示，，两两种种取取向向对对应应的的能能量量分分别别为为－－μB B0和和μB B0，，能能级级间间距距2μB B0•除除了了外外加加静静磁磁场场B0外外，，如如果果又又在在频频率率满满足足 h   0 ＝＝  2μB B0的的高高频频电电磁磁场场作作用用下下，，则则电电子子自自旋旋由由平平行行B0的的状状态态跃跃迁迁到到反反平平行行B0的的状状态态，，这这为为共共振振吸吸收收；；如如果果由由自自旋旋反反平平行行状状态态跃跃迁迁到到平平行行状状态态，，则则称称为为共共振振发发射射如如果果共共振振发发射射是是在在外外磁磁场场的的 h   0 作作用用下下发发生生的的，则称为，则称为受激辐射受激辐射•在在静静磁磁场场B0作作用用下下，，发发生生电电子子自自旋旋能能级级分分裂裂，，同同时时又又在在电电磁磁场场能能量量子子h   0的的作作用用下下发发生生共共振振吸吸收收或或发发射射现现象象，，称称为为电电子子自自旋旋共共振振。

1945年年E.Zavoisky第第一一个个从从顺顺磁磁盐盐中中观观察察到了电子自旋共振现象到了电子自旋共振现象h 0B=0B=B0μB B0－－μB B0B0h 0图6-15电子自旋共振 2021/8/25302.核自旋与核磁共振（核自旋与核磁共振（NMR）） • 原子核也有自旋和磁矩原子核也有自旋和磁矩0 ，也相当于一个小磁铁，核磁矩，也相当于一个小磁铁，核磁矩•  n ＝＝ g n〔〔 I ( I + 1 ) 〕〕－－1/2  N •式式中中I为为核核自自旋旋量量子子数数，，N＝＝eh/4mp＝＝5.05 10－－27J/T，，为为核核磁磁子子mp为质子质量，为质子质量，gn为核子为核子g因子核磁矩只有电子自旋磁矩的约因子核磁矩只有电子自旋磁矩的约 0.1%• 当当原原子子该该中中质质子子数数和和中中子子数数都都为为偶偶数数，，核核自自旋旋I=0，，即即原原子子核核无无核核磁磁矩矩，，如如6C12,8O16核核等等当当核核的的质质子子、、中中子子数数都都为为奇奇数数，，总总核核子子数数为为偶偶数数，，核核自自旋旋量量子子数数为为整整数数，，如如1H2，，7N14核核等等。

而而质质子子、、中中子子数数之之和和为为奇奇数数的的核核，，核核自自旋旋量量子子数数为为半半整整数数（（1/2，，3/2，，……）），，如如1H1，，9F19核核等等对对于于1H1即即氢氢核核（（质质子子）），，I=1/2，，所所以以在在外外加加静静磁磁场场中中也也象象电电子子自自旋旋一一样样分分裂裂为为2I＋＋1即即如如图图6-18所所示示的的两两个个能能级级，，只只是是核核磁磁矩矩n在在B0方方向向的的投投影影z＝＝ 2.79N能能级级间间距距    E=2ZB0＝＝2 2.79NB0      它比电子自旋情形时要小三、四个数量级它比电子自旋情形时要小三、四个数量级• 如如果果在在施施加加静静磁磁场场情情况况下下，，同同时时加加上上能能量量子子h h   0 0 ＝＝2 2.79 NB0的的交交变变电电磁磁场场，，能能使使核核磁磁矩矩投投影影由由平平行行于于静静磁磁场场激激发发到到反反平平行行静静磁磁场场（（共共振振吸吸收收）），，或或者者反反之之，，由由反反平平行行静静磁磁场场状状态态转转变变到到平平行行静静磁磁场场状状态（共振发射），核磁矩的这种共振跃迁，称为态（共振发射），核磁矩的这种共振跃迁，称为核磁共振效应核磁共振效应。

2021/8/2531图6-16磁共振实验的原理性装置 核自旋与核磁共振（核自旋与核磁共振（NMR）） • 如如果果在在施施加加静静磁磁场场的的情情况况下下，，同同时时加加上上能能量量子子h h   0 0 ＝＝2 2.79NB0的的交交变变电电磁磁场场，，能能使使核核磁磁矩矩投投影影由由平平行行于于静静磁磁场场激激发发到到反反平平行行静静磁磁场场（（共共振振吸吸收收）），，或或者者反反之之，，由由反反平平行行静静磁磁场场状状态态转转变变到到平平行行静静磁磁场场状状态态（（共共振振发发射射）），，核核磁磁矩矩的的这种共振跃迁，称为这种共振跃迁，称为核磁共振效应核磁共振效应• 电电子子自自旋旋共共振振和和核核磁磁共共振振都都是是物物质质在在静静磁磁场场和和射射频频（（电电））磁磁场场共共同同作作用用下下的的效应•磁磁共共振振实实验验的的原原理理性性装装置置如如图图6-19所所示示，，静静磁磁场场B0加加于于Z方方向向，，射射频频磁磁场场加加在在X或或Y方方向向，，借借用用经经典典图图象象思思考考，，静静磁磁场场使使磁磁矩矩进进动动，，而而射射频频磁磁场场使使进进动动发发生生改改变变，，表表现现为为共共振振跃跃迁迁。

通通过过共共振振信信号号的的测测量量，，可可以以测测量量电电子子磁磁矩矩和和核核磁磁矩矩，，可可以以了了解解它它们们所所处处的的周周围围环环境境和和相相互互作作用用；；通通过过共共振振信信号号的的强强弱弱和和空空间间分分布布，，可可以以了了解解核核的的分分布布密密度度及及其其它它，，这这是是核核磁磁共共振振断层成象技术（断层成象技术（NMR－ＣＴ）的依据－ＣＴ）的依据2021/8/2532核自旋与核磁共振（核自旋与核磁共振（NMR））•对对于于原原子子，，它它们们的的磁磁矩矩来来自自电电子子磁磁矩矩和和核核磁磁矩矩，，电电子子磁磁矩矩又又来来自自轨轨道道磁磁矩矩和和前前面面所所说说的的电电子子自自旋旋磁磁矩矩对对于于多多电电子子原原子子，，要要根根据据原原子子的的电电子子结结构构、、电电子子轨轨道道运运动动与与自自旋旋运运动动的的耦耦合合求求出出电电子子的的总总磁磁矩矩当当电电子子的的总总磁磁矩矩不不为为零零时时，，原原子子的的磁磁矩矩主主要要来来自自电电子子总总磁磁矩矩；；当当电电子子总总磁磁矩矩为为零零时时，，原原子子的的磁磁矩矩就就决决定定于核磁矩了于核磁矩了• 实实验验或或生生活活中中接接触触到到的的是是宏宏观观物物体体，，它它们们是是大大量量原原子子分分子子组组成成的的，，由由于于原原子子、、分分子子微微观观磁磁矩矩的的不不同同，，及及这这些些微微观观磁磁矩矩的的相相互互作作用用的的不不同同，，物物质质可可分分为为顺顺磁磁质质、、抗抗磁磁质质和和铁铁磁磁质质三三种种。

核核磁磁共共振振多多以以抗抗磁磁质质为为样样品品，，而而且且多多数数都都是是涉涉及及Ｉ＝１／２的核Ｉ＝１／２的核• 对对于于抗抗磁磁质质固固体体，，可可以以看看成成核核自自旋旋系系统统和和晶晶格格系系统统的的组组合合，，其其中中的的核核自自旋旋系系统统受受磁磁场场影影响响，，核核自自旋旋系系统统和和晶晶格格系系统统要要交交换换能能量量趋趋于于热热平平衡衡在在无无外外磁磁场场时时，，物物质质的的总总磁磁矩矩 　　ＭＭ＝＝∑∑ μ μmi＝＝００　　　　当当然然各各分分量量，，如如μＺＺ＝＝００当当在在ｚｚ方方向向加加静静磁磁场场ＢＢ００时时，，ＭＭＺＺ将将由由零零逐逐步步达达到到饱饱和和值值ＭＭ００，，这这变变化化过过程程的的快快慢慢可可以以用用纵纵向向弛弛豫豫时时间间ＴＴ１１来来表表征征，，ＴＴ１１表表示示ＭＭＺＺ由由００上上升升到到００．．６６１１８８ＭＭ００所所需需的的时时间间在在核核磁磁矩矩磁磁化化的的过过程程中中，，系系统统由由施施加加静静磁磁场场前前的的平平衡衡态态过过渡渡到到加加磁磁场场后后的的平平衡衡态态，，为为了了使使整整个个系系统统达达于于平平衡衡态态，，能能量量将将从从自自旋旋系系统统流流向向晶晶格格系系统统，，所以Ｔ所以Ｔ１１又称为又称为自旋－晶格弛豫时间自旋－晶格弛豫时间。

• 如如果果静静磁磁场场ＢＢ００出出现现后后，，总总磁磁矩矩ＭＭ的的横横向向分分量量ＭＭＸＸ、、MＹＹ并并不不为为零零，，为为了了达达到到平平衡衡态态，，最最终终它它们们一一定定要要趋趋于于零零，，这这一一过过程程进进行行的的快快慢慢用用横横向向弛弛豫豫时时间间ＴＴ２２来来表表征征在在ＭＭＸＸ、、MＹＹ趋趋向向零零的的过过程程中中，，自自旋旋系系统统能能量量并并不不发发生生变变化化，，它它是是自自旋旋系系统统内内部部通通过过自自旋旋－－自自旋旋相相互互作作用用达达到到平平衡衡的的过过程程，，所所以以T２２又又称称为为自自旋旋－－自自旋弛豫时间，Ｔ旋弛豫时间，Ｔ２２‹‹ＴＴ１１2021/8/2533• 核核磁磁共共振振现现象象是是1946年年美美国国哈哈福福大大学学ＥＥ．．ＭＭ．．ＰＰurcel1教教授授和和斯斯坦坦福福大大学学ＦＦ．．Bloch教教授授发发现现的的，，并并因因此此于于1952年年获获诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖1972年年美美国国医医生生ＲＲ．．Damadiam 提提出出用用核核磁磁共共振振测测定定活活体体组组织织的的纵纵向向、、横横向向弛弛豫豫时时间间ＴＴ１１，，ＴＴ２２ 来来诊诊断断疾疾病病的的设设想想。

1973年年美美国国纽纽约约州州立立大大学学石石溪溪分分校校P.C.Lauterbur教教授授提提出出核核磁磁共共振振成成象象方方法法，，80年年代代便便进进入入商商品品化化阶阶段段，，国国内内外外的的大大医医院院都都设设置置了了核核磁共振断层成象系统磁共振断层成象系统• 核磁共振成象系统主要组成部分有：核磁共振成象系统主要组成部分有：• 主磁体主磁体：它是一个通电螺线管线圈，用于产生实现能级分裂的静磁场它是一个通电螺线管线圈，用于产生实现能级分裂的静磁场• 匀匀场场线线圈圈：：保保证证磁磁场场的的空空间间均均匀匀性性，，使使同同样样的的核核在在空空间间不不同同位位置置有有相相同同共共振频率• 梯梯度度线线圈圈：：在在ＸＸ，，ＹＹ，，ＺＺ方方位位产产生生脉脉冲冲梯梯度度磁磁场场，，以以实实现现空空间间编编码码，，核核磁磁信号的空间定位信号的空间定位•射射频频线线圈圈：：包包括括发发射射线线圈圈和和接接收收线线圈圈，，发发射射线线圈圈用用来来发发射射射射频频脉脉冲冲，，这这些些脉脉冲冲电电磁磁能能量量被被特特定定的的核核（（如如１１ＨＨ１１核核））共共振振吸吸收收当当脉脉冲冲停停止止后后，，原原子子核核又又把把这这部部分分能能量量以以电电磁磁波波形形式式发发射射出出来来，，它它就就是是核核磁磁共共振振信信号号，，它它携携带带着着被被测测物物的内部信息，接收线圈用于检测这个核磁共振信号。

的内部信息，接收线圈用于检测这个核磁共振信号• 计计算算机机系系统统：：它它担担任任整整个个系系统统的的指指挥挥、、控控制制、、信信息息处处理理等等；；它它从从核核磁磁共共振振信信号号中中萃萃取取出出T１１，，ＴＴ２２，， （（质质于于密密度度或或核核密密度度））等等参参数数，，实实现现图图像像的的重重构构和和显显示示随随着着快快速速扫扫描描核核磁磁共共振振成成象象技技术术和和血血流流成成象象技技术术的的发发展展，，最最近近又又传传来来了了振振奋奋人人心心的的好好消消息息，，核核磁磁共共振振成成象象已已能能用用于于脑脑功功能能研研究究，，用用于于大大脑脑高高级级思思维维活活动动的的研研究究也也很很有有希希望望核核磁磁共共振振效效应应还还可可用用于于测测定定化化学学中中复复杂杂分分子子的的结构，它在物理、化学、生物、医学等领域发挥着很好的作用结构，它在物理、化学、生物、医学等领域发挥着很好的作用2021/8/2534第十节　生命系统的超微弱光于辐射效应第十节　生命系统的超微弱光于辐射效应 图６－１７　孽生辐射实验 这这是是什什么么原原因因所所致致呢呢？？Gurwitsch认认为为这这是是因因为为感感应应器器的的细细胞胞快快速速分分裂裂时时发发射射出出微微弱弱的的紫紫外外光光，，正正是是由由于于这这种种微微弱弱的的光光刺刺激激了了探探测测器器的的细细胞胞，，使使之之发发生生快快速速分分裂裂。

当当时时无无法法用用实实验验来来证证实实这这种种紫紫外外光光存存在在，，50年年代代，，由由于于光光电电倍倍增增管管的的诞诞生生证证实实了了Gurwiisch的的预预言言同同时时科科学学家家们们对对植植物物及及动动物物做做了了大大量量实实验验实实验验表表明明生生命命系系统统存存在在看看超超微微弱弱光光辐辐射射现现象象，，其其辐辐射射强强度度为为几几个个～～几几干干个个光光子子／／秒秒·厘厘米米2，，光光谱谱分分布布从从红红外外到到紫紫外外，，呈呈准准连连续续谱，而且具有高度的相干性谱，而且具有高度的相干性•生命系统的超微弱光子辐射效应是自然界生命系统的超微弱光子辐射效应是自然界中普遍存在的现象早在中普遍存在的现象早在1923年，苏联的年，苏联的科学家科学家Gurwitsch作了一个作了一个““孽生孽生””辐射实辐射实验实验装置如图６－１７所示，图中的验实验装置如图６－１７所示，图中的探测器是一个带根的洋葱头，把它的根部探测器是一个带根的洋葱头，把它的根部装入一毛细玻璃管中，管外有一金属套，装入一毛细玻璃管中，管外有一金属套，管和套的壁上有一个小孔，正对着这个小管和套的壁上有一个小孔，正对着这个小孔的是另一个作为感应器的葱头根部。

两孔的是另一个作为感应器的葱头根部两个葱头的根部靠得很近，但不接触采用个葱头的根部靠得很近，但不接触采用一定办法使感应器未端的细胞快速分裂，一定办法使感应器未端的细胞快速分裂，经过几个小时后，发现探测器的小孔附近经过几个小时后，发现探测器的小孔附近长出一长出一““小包小包””来2021/8/2535生命系统的超微弱光于辐射效应生命系统的超微弱光于辐射效应•1955年年，，以以Colli为为首首的的意意大大利利物物理理研研究究小小组组将将一一些些植植物物芽芽种种放放在在装装有有光光电电倍倍增增管管的的探探测测器器上上，，观观察察到到超超微微弱弱光光幅幅射射现现象象，，辐辐射射波波长长为为690～～390nm，，强度为几百光子／秒强度为几百光子／秒·厘米厘米２２•60年年代代以以后后，，人人们们开开始始研研究究一一些些动动物物样样品品的的超超微微弱弱光光子子辐辐射射效效应应，，例例如如青青蛙蛙的的神神经经、、肌肌肉肉，，老老鼠鼠的的肝肝脏脏等等实实验验发发现现所所有有的的生生物物样样品品都都存存在在辐辐射射超超微微弱弱光光子子效效应应生生物物等等级级越越高高，，辐辐射射强强度度越越大大随随着着生生物物等等级级的的升升高高，，辐辐射射波波长长发发生生红红移移。

另另外外，，实实验验发发现现外外界界因因素素对对这这种种辐辐时时强强度度影影响响很很大大，，例例如如用用Cialii处处理理过过的的黄黄瓜瓜种种子子辐辐射射强强度度比比未未处处理理过过的的提提高高一一个个数数量量级级用用丙丙酮酮处处理理，，强强度度提提高高两两个个数数量量级级当当细细胞胞死死亡亡时时，，辐辐射射强强度度先先是是急急剧剧上上升升，，然然后后按按指数规律衰减指数规律衰减•超超微微弱弱光光子子辐辐射射效效应应是是一一种种非非线线性性效效应应，，例例如如，，切切割割成成块块的的种种子子比比完完整整的的种子的辐射强度增大２～种子的辐射强度增大２～3倍•８８００年年代代以以来来，，对对该该效效应应的的研研究究更更加加广广泛泛和和深深入入，，已已经经深深入入到到细细胞胞、、亚亚细细胞甚至分子的水平，同时证明了胞甚至分子的水平，同时证明了DNA是这种效应的一个辐射源是这种效应的一个辐射源•生生命命系系统统超超微微弱弱光光子子辐辐射射效效应应有有着着广广泛泛而而重重要要的的应应用用前前景景该该效效应应作作为为微微观观生生命命活活动动的的一一种种宏宏观观表表现现，，必必然然与与各各种种生生命命过过程程密密切切相相关关，，故故通通过过对对辐辐射射光谱的分析可以深入地了解生命过程。

光谱的分析可以深入地了解生命过程2021/8/2536生命系统的超微弱光于辐射效应生命系统的超微弱光于辐射效应•生生命命系系统统超超微微弱弱光光于于辐辐射射效效应应有有着着广广泛泛而而重重要要的的应应用用前前景景该该效效应应作作为为微微观观生生命命活活动动的的一一种种宏宏观观表表现现，，必必然然与与各各种种生生命命过过程程密密切切相相关关，，故故通通过过对对辐辐射射光谱的分析可以深入地了解生命过程光谱的分析可以深入地了解生命过程•通通过过对对人人血血清清发发出出的的超超微微弱弱光光的的光光谱谱的的分分析析，，发发现现健健康康人人与与病病人人的的光光谱谱不不同同，，而而不不同同类类型型疾疾病病的的谱谱也也有有明明显显差差别别，，通通过过比比较较、、分分析析可可以以非非常常准准确确地地诊诊断许多疾病断许多疾病•利利用用该该效效应应还还可可以以检检测测病病人人对对某某些些药药物物是是否否过过敏敏通通过过观观察察病病人人的的血血清清和和某些药物的混合物的光谱，可以知道患者对某种药物的耐药程度某些药物的混合物的光谱，可以知道患者对某种药物的耐药程度•该该效效应应在在农农业业方方面面可可以以作作为为一一个个极极其其灵灵敏敏的的指指示示器器，，能能准准确确反反映映农农作作物物的的抗抗寒寒：：抗抗热热、、抗抗病病的的能能力力，，同同时时利利用用它它还还可可以以把把握握施施用用化化肥肥和和农农药药的的最最佳佳时时间和剂量。

间和剂量•这这种种效效应应还还可可以以应应用用于于环环境境科科学学和和地地震震的的预预报报；；实实验验发发现现当当环环境境中中存存在在００．．２２ ｇｇ/ｍｍ3的的ＳＳＯＯ２２时时，，有有些些植植物物的的这这种种辐辐射射谱谱有有明明显显的的变变比比，，因因而而可可以以通通过过时时这这些些植植物物的的辐辐射射谱谱的的变变化化程程度度作作定定量量分分析析来来得得知知环环境境中中ＳＳＯＯ２２这这一一有有害害物物的的含含量量另另外外，，当当地地震震发发生生之之前前，，大大气气中中某某些些物物质质（（例例如如硫硫））的的含含量量会会显显著著增增加加，，导导致致一一些些植植物物的的这这种种辐辐射射光光谱谱发发生生变变化化，，从从而而为为地地震震预预报报提提供供一一条条根据2021/8/2537。