1、第十九章 物理光學,19-1 光的波動性19-2 楊氏雙狹縫實驗19-3 薄膜之干涉19-4 邁克爾遜干涉儀19-5 繞射19-6 小孔繞射與像之 鑑別19-7 繞射光柵19-8 X射線之繞射19-9 光的微粒性19-10光電效應,19-11光的能量19-12愛因斯坦對光 電效應的解釋19-13康普吞效應19-14光的二象性與 物質波19-15結 論,楊氏雙狹縫實驗,相鄰兩暗線之距離應為 xxnxn-1，即,楊氏雙狹縫實驗所產生之干涉條紋,真空中光的波長,以彈簧來說明薄膜之干涉，細線為輕彈簧，代表空氣，粗線為重彈簧，代表薄膜。,薄膜之干涉,對一厚度為t之薄膜，其經上、下表面反射後，再回到空氣的
2、兩束光線，其光程長度差連同改變/2之和為,此值為波長之整數倍，則有建設性的干涉，而呈現明亮區；若此值為半波長的奇數倍，則有破壞性的干涉，而呈黑暗區。,透過一厚度為t之薄膜之兩光束，僅有光程長度差，而無相改變。假設入射角i為零或甚小時，則其光程長度差為 l 2nt（透射光） 此光程長度差為波長的整數倍，則兩光束產生建設性的干涉，假若此光程長度差為半波長的奇數倍，則產生破壞性的干涉。,未經反射之光束a與經兩次反射之光束b，於透射後產生干涉。,邁克爾遜干涉儀 假設鏡面移動D距離，有N條暗帶經過參考記號，則,邁克爾遜干涉儀,繞 射,夫累涅爾單狹縫射之裝置,由單狹縫所產生之繞射圖案,第n條暗線至中央亮區
3、的距離D為已知時，則可求出光之波長。,干涉條紋與繞射條紋之比較,光通過小孔隙的繞射花紋,四個點光源，經過三個焦距相同，而鏡面大小不同之透鏡，所形成之繞射圖樣。鏡面越大，鑑別率越好。,刻劃於玻璃上之光柵的截面,相鄰兩槽紋之光線，其光程長度差為d sin，當光程長度差為波長的整數倍時，可得一加強亮線 d sinmm0，1，2 d為相鄰兩槽紋間之距離，m為各亮線的序數（order）。,簡易之光柵光譜儀,光柵儀器可用來作為波長的絕對量度，因柵線間隔d可用移測顯微鏡（traveling microscope）精確測得，望遠鏡偏轉角度 亦容易量得，然後利用式(19-7)，便可計算出波長來。,加強干涉的形成
4、第一個條件就是其散射角必同時等於其入射角（此即反射角入射角）。其第二條件為 2d sinmm1，2，3，4,卜拉格繞射,x射線分光計,以弧光照射無數帶電的小質點，這些小質點飄浮在兩極板間有如密立根實驗中之油滴一般，當一質點突然往上跳動時，即表示該質點已釋出了電子。,光電效應,光電管。置一對平行的銅片於一真空之玻璃管內，並以電線引出，與外電路相接。圖中之電路可用來調整二板間的電位差，使受光照射之一板帶正電位或負電位。,1.入射光強度之效應：當光束射至帶負電之板A時，穿過安培計的電流亦即光電流與光強度成正比。光的波動說及微粒說皆能預測此結果。 2.截止電位（cutoff voltage）：若把二極
5、板的正負倒接，使發射光電子的A板帶正電，若繼續增加此種反向的電位差至一值VAB使得動能最大的光電子在即將到達B板前，速度剛好降至零，光電流也因此被截斷，此時，A、B兩板的電位差稱為截止電位。,當光照射在帶負電的A板時，將有電子飛離A板而至B板，使安培計上有電流通過。,將電池反接，使發射電子的一板帶正電，則電位差逐漸增加至某一值時，射出的電子被折回，光電流剛好被截斷。,頻率的效應：發生光電效應的最低頻率稱為低限頻率（threshold frequency）若照射光的頻率低於限頻率，則不論光的強度多大，亦不再有光電流產生。但若用頻率較低限頻率為高的光照射，則即使光的強度極為微弱，亦能產生光電流。
6、依波動理論的觀點，入射光頻率的高低對光電效應應無影響；但從微粒理論來看，各個光子撞擊電子的能力，決定於光子本身的特性，而和光子的數量無關。若設頻率較高的光子，碰撞的能力較高，頻率較低者，能力較低，則光電效應中對頻率的反應即可獲得合理的解釋。,光電子之最大動能Ee與入射光頻率關係曲線,4.物質表面效應：今將圖19-22中之A板以各種不同的金屬板來代替，則可發現不同的物質，其所具有的低限頻率亦不同 ，物質的低限頻率，可視為該種物質的特性。,愛因斯坦對光電效應的解釋 Eeh0h h為蒲朗克常數，當入射光的頻率0時，則Ee0，此時物體內的電子，恰好可擺脫原子的引力而離開。電子擺脫原子的束縛而脫離原子所
7、需的能量，稱為電子的脫離能（escape energy）。 設光子的能量全為電子所吸收（光子本身則消滅） 光子能量電子的脫離能電子的動能,電子的脫離能可分為兩部分：1.將電子自體內移至表面所需的能量。2.將電子擺脫金屬表面的束縛力，而離開金屬板所需的動能。此項能量又稱為物質的功函數（work function）。因為各種物質的結構有所不同，其功函數亦不相等。光子能量功函數射出電子的最大動能Ee,康普吞效應。高能光子和電子碰撞前後，其能量和動量總和不變，波長為 的光子射至靜止的電子，光子在角度的方向散射，波長增為（能量減少），而電子以速率沿方向散射而去。, 稱為康普吞偏移（Compton shi
8、ft）只與散射角 有關。如以光為波動的觀點應不會發生。康普吞效應使大部分的物理學家接受光為微粒（光子）的觀念。,光干涉與電子干涉的比照。(a)光的干涉實驗設備；(b)電子干涉實驗設備；(c)光的干涉條紋；(d)電子干涉條紋。本實驗之特點為在兩束電子重疊之處出現明暗條紋，與光波產生之明暗條紋相像，惟條紋之範圍極小，本圖係經放大後與光干涉條紋比較。,結 論 自光的本性討論，原認為是屬於一種波動的光，我們指出它實具有微粒的性質，而原是微粒的物質質點，我們證實它具有波動的性質。蒲朗克常數聯繫著波動和微粒在數量上的換算關係。不論是物質的微粒或是光子，當它經過狹縫而產生繞射時，我們不能確定它應循哪一條路徑
9、運動，但我們可以指出它到達某一處的或然率之大小如何。另一方面，不論是物質質點或是光子，在每次碰撞中均係按照牛頓力學的情況轉移能量，這一點，並未因它們具有波動的性質而有所改變。,在我們的討論中，光與物質的相似，頗令人驚奇，光既兼具波動與微粒雙重性質，物質亦然，但其相似之處仍是有其限度的。一個光子與一個物質質點仍有其本質上的差異，光子總數並非不變，它易被產生亦易於消滅。當你開燈時，立即生成許多光子，有些被吸收，有些被反射，而最後全告消滅，而能量則付予被撞擊的原子，就能量而言，仍屬守恆，但就光子粒數而言則已消滅。這種性質與電子等物質質點略有所不同；電子、質子等，既不能被創生亦不能輕易將其消滅。在這個觀點上，光子和物質質點的差別是極為明顯的。,
