quantum optics e-m wave optics wave optics ray...

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課程編號：901 37500 - 01 科目名稱：光電導論授課教師：黃鼎偉

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光是什麼？

n 近代物理的兩大領域，相對論和量子力學之起源多是由對光所做的觀察。

n相對論—光速的探討n量子力學—光是波動或粒子？

n 到底光是什麼？光線、波動或粒子？

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Quantum optics

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Ray optics

Wave optics

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nnnn

nn

nn 構成幾何光學的基礎，對光學系統的正面影響極大n 放大鏡

n 顯微鏡n 微小生物的觀察

n 望遠鏡n 天文觀察

n 太陽上升時間的預測

n 相機、投影機鏡頭

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笛卡兒時代

nn ’’ ――

n 發現光的折射定律

n 笛卡兒假設光是粒子，沿介面平行方向沒有受力，故速度不變n 若，表示光在密介質速度較大

n 虎克反對笛卡兒的看法

nn

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牛頓時代

n 認為光是波動，導出 ’ 原理：n 波動之波前→波源

n 光在密介質之速度較慢

n 由光產生陰影→傾向粒子說

nn 2

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光線、波動或粒子？

n 古典的觀念下：波動和粒子是互相矛盾的特性

n波動—水波﹑繞射﹑觀察防波堤﹑聲波n粒子—石頭﹑直射﹑穿過和不穿過

n 共同點：把能量和動量由一地傳到另一地

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楊氏干涉

n

n 雙夾縫實驗，光有干涉現象

n 證實光是波動

n思考： ’ 雙夾縫中，為何要先用單夾縫？

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光光電磁波的一種電磁波的一種

n

n 用光波動說解釋繞射現象n 解釋光通過遠大於波長障礙物產生陰影n 證明光會有橫向振動

n 量出光在水中速度比在空氣中慢n 確立光是波動

n 推導出 ’ →n 推測光是電磁波

n 實驗證明電磁波的存在n 光是電磁波之一種

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光電效應

n 證明電磁波的同時也發現

n 電磁波線圈一極照光，線圈間所產生的火花會受到影響

n 照到負極時影響最大

n 證實光電效應放出負電荷粒子

n 測量此負電荷之電荷質量比→此負電荷是電子

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以解釋光電效應的三個難題

n 解釋：光帶有能量，部分被金屬吸收，於是電子具有動能到超過束縛能→射出金屬表面

n 解釋此光電效應發現有三個難解的問題n 實驗觀察到到，光電子立刻射出

n 實驗精確度

n 能量精確度

n 在金屬表面，有最表面一層

n 則每一原子吸收的能量為

n 之最外層電子需 × 的能量才能釋出

n 從的角度來看需時 × 天才有電子釋出

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n 同一頻率下的光照射，釋出的電子愈多，愈亮。

n 但量得的電子能量固定

n ：愈亮的光→電子的能量愈大

ν

改變照光強度之影響ν

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n 頻率愈高高，光電子的能量愈大

n 頻率小於某個值時，沒有光電子射出

n 大於某個值時，光電子的能量和光頻率有線性關係

n ：無法解釋

ν1 >ν2 >ν3

ν1ν2ν3

ν0 ν0ν0

不同材料最大光電子能量與照光頻率之關係改變照光頻率之影響

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黑體輻射與光的粒子性

n ：燒熱的木炭為什麼是紅色？n 打鐵：紅→黃→白n 熱平衡：放出的能量吸收的能量n 黑體：所有進去的光皆可被吸收，熱平衡時，它也同時放射出同樣頻譜的光→黑體輻射

n 黑體輻射：和材料的原子結構無關

ν

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n 十九世紀末應用，駐波概念解出

n ν→ν ν

ννπ

νν dckTdu 23

8)( =

ν

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假設

n 德國物理學家利用” ”得到

n × ’n 什麼叫做 “ ”？

n 假設

n ν， ……n 稱 ν為一個複數

n 拉丁字原意是” ”

18)( /

3

3 −= kThe

dc

hdu ν

ννπνν

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假設

n 這個假設→正確預測黑體輻射的問題

n開啟世紀量子世界的大門

n 不太相信這個假設

n “ ”幸運的猜獎n 認為光的能量雖然量化，但是仍是以電磁波的型式 ν分佈在整個空間

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“ ” 光子n 愛因斯坦延伸的觀念，認為

n 光放射時既然以” ν”的量放射，吸收時也應以” ν”的量被吸收。他認為頻率為ν的光，其能量是含在一個小包包裡，稱為“ ” 光子，其能量是 ν

n 進一步打破了傳統觀念，光不僅能量是量化，連在空間中也是量化

n 利用量子化概念開始解釋光電效應n 電子吸收了能量為 ν的光子，部分用以克服金屬位障稱

，所以電子射出具有最大動能電子射出時會碰撞，而損失能量，使其動能不小於

n ν ψn ψ ν 光的頻率必須大於ν 才能使電子射出n ⇒ νν

n 思考光電效應顯示光具有粒子性質光子，到底光是波動或粒子？

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光之發現及產生

n 氰化鉑鋇放出陰極射線管附近會發出光，因不知是什麼射線→ 光，可用來照射人體內部影線→醫學上的應用

n 康普頓效應n 光之粒子性質的另一證據據光與電子碰撞後，頻率變小n 證實n 獲

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光

n n

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光

n 帶電粒子做加速度運動→放射出電磁波，不過不能解釋兩現象n 某特殊波長之現象電子撞原子之兩條強度很尖…

n 放出光之最短波長λ 與陽極所加電壓有反比之關係

n 公式與光電效應一樣

n 結論：光產生之過程正好是光電效應之相反

)(24.1min mV

V−=λ

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光是什麼

n 把光強度減弱到一次只發射一個光子，這個光子到底會穿過或

n

n

n 或

n 和銀幕

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光是什麼

n 在雙夾縫的實驗中，我們量的是光的波動特性，因為光會在夾縫後面的銀幕形成干涉條紋。但假使把光強度減弱到一次只發射一個光子最小單位，則銀幕上會偵測到一些隨機的閃光，表示光子打到銀幕是一量子之行為。但若實驗進行夠久，則發現干涉條紋出現，這表示一個光子會和自己產生干涉效應，也表示它在空間仍然散佈很廣，只有在與銀幕物質作用時，才顯出量子之性質。

銀幕

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波粒二重性

n 若我們在雙夾縫之一如夾縫處裝上一個偵置，可以偵測到光子是否經過，也就是決定光子之路徑時，則實驗發現銀幕上的干涉條紋消失。也就是當我們要量光之粒子性質時走哪一夾縫，則其波動特性消失，若不量粒子特性則波動性質出現，兩者似乎是為互補性質，而由測量之方式來決定它到底以何種面貌出現。

n 討論一n 量子力學出現後，可以推導出光波之相位ψ與光子之數目，是兩個不可同時測量之物理量，就像一個粒子之位置及動量一樣，滿足海森堡測不準原理中之不可交換關係，ΔΝΔψ

n 波粒二重性n 光有時以波的型態出現，有時以粒子的型態出現。當光以波的型態出現時，即不具粒子性，當光以粒子的型態出現時，即不具波動性。

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最近最近年年

nn

nn

nn

nn

nn

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光光電電科技對未來的影響科技對未來的影響

n 透鏡組非球面透鏡n 非球面透鏡使光學系統簡化

n 體積縮小可以大量生產成本降低

n 雷射技術的進步n 滲透到許多生活和科技領域物理、化學、材料、

n 生醫、農業、工程、娛樂

n 光學顯示器和光學儲存的進步n 資訊量的大量增加

n 光通訊的發展n 大量資訊的流通→資訊量的大量增加

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未來的應用例未來的應用例

n 未來的畫面，更大，畫質更細n

n 色彩更豐富

n 立體畫面資料量至少加倍

n 牆壁都是全螢幕高畫質電視牆，虛擬立體風景n每面牆五面牆

n 頻道

n 一個家庭需要的

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