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光子的一生——发射,传输与吸收

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发表于 2020-4-30 02:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
许秀来:光子的一生——发射,传输与吸收【云里·悟理-第20课】

Original 悟理学院
中科院物理所 4 days ago



到这里来带给你最有趣的严肃物理,我是中国科学院物理研究所研究员许秀来。

01 光的发射 传输和吸收

我们今天这节课的题目是光子的一生,主要讲述光的发射、传输和吸收。简单地说,我们能看到光从太阳发射,传到地球进入人体眼睛,被吸收到眼睛里转视觉,这样一个过程。而我们所有跟光有关的话题都跟物质有关。比如说我们看到的太阳、云彩、山川,都是因为我们看到的这些物体本身表面的反射光,而我们看到的闪电是由于在云层中正负离子之间放电产生的结果。另外我们看到的激光,比如在真空中,我们是看不到激光的路径的,只有打在杯子上或者是其它的表面,我们才能看到激光。所以所有跟光有关的话题都跟物质有关系,也就是说,永远离不开光与物质的相互作用,所以我们要强调在所有的物质体系中,研究光的现象以及跟光的相互作用。

02 电磁波谱

在聊这些问题之前呢,首先要考虑一个问题就是光谱,所谓的光谱,也就是电磁波谱。我们认为光是一种电磁波,在目前的世界范围之内,有不同电磁波的频率和波长,比如说X射线、γ射线或者是可见光、甚至近红外光、微波以及无线电波等等,根据不同的波长我们把它分开。而每个不同的波长都有特殊的应用,比如X射线,可以用它来做胸透检查,还可以用微波来做加热物体的微波炉以及侦查用的雷达,还可以用作无线电波的传输。而人的眼睛对光只对可见光这部分敏感,比如说从400纳米到700纳米这样一个过程,今天的这节课主要聚集在可见光这个区域。


                               
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电磁波谱

03 光的发射

首先讲光的发射。光的发射对人来说,最直接的光发射就是太阳,我们能观察到自然界中的光发射就是太阳。同时在南极和北极,由于正负电的电荷在地磁场的作用下有可能在南极和北极形成极光,这也是在自然界中可以观察的发光的现象。而离大家比较近的就是动物界的萤火虫,它可以主动发光,这是由生物发光引起的。还可以观察到的一些发光现象是一些放射性的矿石,它主要是由于放射性的元素导致的发光现象。而人们更希望的是能够主动发光和照明,那么最早期采取的办法就是钻木取火,这个时候你会看到,我们使用木材来发光,后来才逐渐地利用小的发光点,比如说火柴或者是煤油,以前还叫洋火或者洋油。而实现发光最简单的原理是什么呢?


                               
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光的发射

我们希望从这样简单二能级体系里面,从基态比如说E1 激发态是E2,如果原子在激发态的时候,它跃迁到基态,能量从高往下掉的过程中就会产生一个光子,那么这时候就称它为发光。要实现这样一个激发态,最简单的事情是,通常的原子在普通状态时都处于基态,而要从基态到激发态这一过程需要激发。而在过去这么多年里面,人们都采取各种各样的方法激发原子从基态到激发态实现发光,比如说太阳就是通过核聚变产生的热,形成的黑体辐射,实现的发光。还有一些矿石可以通过热发光,比如它本来不发光,在一定的温度下可以看到它发光的现象。还有萤火虫等生物发光等等。还有一些声致发光或者是阴极射线打在物体上导致的发光,我们就不具体说了。有一个现象是光致发光,也就是说我先用一束光激发在物体上,然后再把它激发到激发态的时候,它可以从激发态跃迁到基态形成一个光子,我们称之为光致发光,这个跟我们后面的光吸收还有关系,我后面还会继续说。


                               
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光致发光

同时我们观察到的夜明珠实际上也是一种光致发光,白天激发,它可以保留到夜里继续发光。而人们最希望得到的是什么?是电致发光,什么叫电致发光?就是希望能打开开关就能看到亮,这就是电致发光。在过去的一百多年里面,最先实现电致发光的是白炽灯,也就是说通过加电能够使用钨丝变热,通过钨丝的热导致黑体辐射形成这样的光。后来逐渐转变为用日光灯,所谓的日光灯就是使用电激发汞蒸气形成紫外线,同时激发日光灯管壁上的发光粉从而发出白光,这些都是我们说的电灯。


                               
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电致发光

随着半导体的发现,人们发现一个简单的方法,就是用两种不同类型的半导体,比如P型半导体或者N型半导体,两个接到一起,通过电就可以产生发光,我们通常称这种器件为发光二极管,然后把它封装到这样一个小的塑料壳里面,就可以形成发光二极管。大家可以看到不同色彩的发光二极管,其实发光二极管的发现并不是那么容易。最早实现发光二极管的时候,看到的是红色二极管,大约是1962年,但是当人们发现黄色二极管的时候,已经是10年以后了,1972年。后来因为蓝色发光二极管的发现,才让人们觉得发光二极管更加地可实用化。而蓝色的发光二极管的发现却让科学家们花了21年的时间。同时日本的物理学家中村修二,因为发现蓝色的发光二极管和激光二极管,在2014年获得了诺贝尔物理学奖。因为有了三种颜色的发现,就能拼成全色,所以二极管在显示有很大的应用,我们看到不同颜色的显示,有了这三种颜色 我们就能真正达到全色显示。


                               
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发光二极管

由于二极管的发现,我们还将它取代了以前的白炽灯,比如说以前白炽灯的功率,我们可以把它降低五分之一,同时延长灯的使用寿命,虽然现在市面上的二极管的灯泡比普通的白炽灯的要贵,但是从长远的角度,用二极管的灯使得日常照明降低了成本,延长了使用寿命,所以现在看到很多路灯 ,包括汽车的尾灯头灯都是二极管灯。同时,由于二极管的发现,还实现了不同的激光,我们可以看到现在非常炫酷的激光秀,下边这幅图是剑桥大学八百年校庆时候的激光秀。


                               
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剑桥大学校庆激光秀

刚才提到,激光在传播的过程中我们看不见,其实在空气中,只要激光功率够大还是能看见的。这里面说明一个事情是有很多事情在我们不知道的时候并不代表没有。随着技术的进一步发展,人们希望能够得到更简单、更便宜而且可折叠的发光显示器件,比如最近可折叠的笔记本电脑或者是可折叠的手机,这也都为我们的发光显示提供了新的技术。

04 光的传输

下面继续介绍的是:光的传输。有了发光以后 我们考虑的是光的传输,光的传输主要包括这几个方面:第一 我们在传输的过程中可能会被散射,另外也有可能被吸收,而在不同的介质表面,会形成折射或者是反射,这是光的传输的几个部分。


                               
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光的传输

05 光的散射

首先考虑的是散射。对于光的散射,首先的概念是小时候当你一大早起床的时候,打开窗户看到的颗粒在阳光底下的路径,同时能观察到颗粒在阳光底下的运动,这就是由光的散射引起的。比如说很多时候我们看到的照片,比如梵蒂冈大教堂顶上的窗户,下面泄露出来的光就是由光的散射引起的。


                               
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梵蒂冈大教堂

当一束光打到一个粒子上的时候,会有向不同方向发生散射,同时散射还跟光的波长或者跟光的能量有关。刚才我提到不同的波长,比如红光能量比较低,蓝光能量比较高。而我们又将散射分成不同的类型,比如说一个光的波长跟散射粒子尺寸它们之间比较的时候,如果散射粒子尺寸远小于光的波长,这时候称这种散射为瑞利散射,那瑞利散射的过程中,对不同波长的光有不同的散射效果,比如说蓝色的光更容易受到散射。如果你的粒子尺寸跟波长差不多或者相比拟的时候,我们称这种散射为米散射,米散射通常都是一些大的颗粒或者是水蒸气。还有一种颗粒更大的时候,也是一种米散射,但这时候对光就没有选择性了,所以我们称之为无选择性的散射。

这几种散射解释了一些我们平时环境中观察到的现象,比如说瑞利散射对短波长的光更容易散射,所以我们在平常晴朗的天空总是蓝色的原因,就是因为太阳光里的蓝光都被大气里的分子散射到空间中形成蓝色导致的。而白云就是因为无选择性散射,因为它的散射颗粒尺寸比较大。我们可以解释一个现象,太阳落山的时候,太阳的颜色总是由白变黄再变红,这个过程也是由于瑞利散射的原因引起的,原因是随着太阳逐渐落山,我们看到的太阳会离我们越来越远,同时太阳光经过大气层的距离就会越来越长,这时候大部分的蓝光被空气散射掉以后,那剩下的就是红光能够传入到我们眼睛里,所以我们能看到太阳会从黄色逐渐变为红色最后消失这样一个过程。


                               
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散射类型

06 光的反射

下面我们讨论的是光的反射。光的反射其实非常简单,通过一束光打在一个镜面上的时候我们会看到它的反射光。通常我们考虑到的反射定律是反射光的反射角等于入射角。这个结果可以通过特别简单的惠更斯原理来解释:球形波面上的每一点都可以是一个次级的球面的子波源,而且子波源的波速与频率都等于原来的波速和频率,而子波源波面的包络是形成后面发射的波面。所以如果我们用这个原理证明反射定律的话,我们会看到,在这样一个结果里面,如果B到C的距离和A到D的距离是相等的,通过这两个直角三角形很轻松地可以得出它的入射角的大小是等于反射角的。


                               
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梵蒂冈大教堂

而反射也可以分成两种。一种是镜面反射,比如说我们通常说的一个非常平的镜子,早期的镜面反射就是铜镜。而另外一种是漫反射,如果你的表面不太平整的时候,会形成漫反射的结果。镜面反射可能很容易,我们看这幅图,它主要是如果湖面没有波动的时候就是非常好的镜面反射。


                               
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湖面反射

这后面是剑桥大学的叹息桥,下雨的过程中,它这个就是漫反射的过程。而其实镜面反射在我们的生活当中无时无刻不存在,比如说汽车的观后镜,牙医拿在手里的看牙的反射镜,还有潜望镜,都是通过镜面反射来达到目的。


                               
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叹息桥

07 光的折射

在传输的过程中还有光的折射的问题,光的折射主要考虑不同的介质界面之间发生的事情。比如说两个介质中n1和n2,可以是不同的折射率,所谓的折射率反映了光速在这种媒介当中的速度,通常折射率是拿光速除以这个速度就得到折射率,所以通常折射率是比真空中的折射率要大的。比如入射光从光疏介质进入光密介质的时候,比如说我们在路上开车,突然进入一段泥泞的路,那么这时候车速就会降低,或者说平时我们在路上走路和在水里走路,两个速度也不太一样,这时候可以把它简单地认为是从光疏到光密的介质。这时候光的折射是一个简单的折射定律,也就是它们两个的折射角的sin比是它们折射率的反比,所以我们通常会定义n1sinθ1 = n2sinθ2。这个公式也简称为斯涅尔定律,斯涅尔定律的证明其实也很简单,我们还是通过惠更斯原理来解释。


                               
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当光从B 传到C的时候,我们会发现它的传输距离是B 到C的距离,然后在介质中大约是A到D,它们的包络就是在C D这条线上,它是垂直于它们的传输方向的,如果通过不同的角度,可以发现sinθi等于sinθr乘以它们的介电常数,或者说sinθi除以sinθr等于它们的介电常数比。有了这样一个过程,在光的折射里面其实有很多非常有意思的现象,比如说将光打在一个玻璃上我们可以看到它入射光经过第一级反射以后,折射光进入玻璃的下面,同时再继续反射,还会形成第二次折射。有一位科学家把自己放在鱼缸里,也可以看到他的头和身体都离的比较远,或者你在水底下,看到北极熊的脑袋和身体也是离得非常远的,这都是由于光的折射现象引起的。


                               
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可以举一个简单直接的例子,在看见水里的鱼的时候,看到的实际的位置是比鱼的真实位置要高的,其实就是离水和空气的介面要近,我们要用鱼叉插鱼的时候,要瞄准的是鱼的身子下面而不是鱼,因为那才是真实的鱼的位置。也就是说,我们通过眼睛看水中物体的时候,物体总是抬高的,反过来,如果在水中看岸上物体的时候,我们会发现,比如岸上物体比实际物体要高的。开玩笑说为什么我们都是人去打鱼而鱼没有要咬人,就是因为它看到我们人太高大了,而它也没有机会伸出水面来看看人究竟有多高。


                               
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叉鱼

有了光的折射以后,如果将光打在一个三角形的棱镜上,这时候会发生两件事情。第一,从光疏介质到光密介质发生一次折射,第二,再从光密介质进入光疏介质,又发生一次折射,那么这个时候会发现,光打在棱镜上有一种可以聚焦的感觉,所以如果将这种形状的棱镜进行排列,会形成光的一种聚焦或者是散焦,而这就是通常形成凸透镜或者凹透镜的原理。凸透镜和凹透镜在生活中有非常广泛地应用。比如说老年放大镜可以看的字更大,近视镜就是凹透镜这样一个结果,能把外面的光聚焦到我们的视网膜上。为了能看到更远的东西或者更大的放大倍数,有一些非常庞大的天文望远镜,在澳大利亚或者其它国家的天文台,非常庞大体积的天文望远镜,有了有这样一个天文望远镜,我们看到的月球就不是我们小时候看到的嫦娥或者玉兔的月球了。


                               
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澳大利亚天文台望远镜


08 光的色散

在折射现象里面,刚才提到的所有的光都是单色光,但如果要是一个白色的光或者是复色光通过棱镜的时候,我们发现不同的颜色的光在棱镜中的折射率是不一样的。也就是说他们传播的速度不同,从而导致我们看到的现象,称为光的色散。可以看到,白色的光可以通过棱镜变成彩色的,而这种现象,如果说不是棱镜而是一个球呢?光进入这个球的时候,形成了一次色散,然后在球的对面,反射过来的光再经过球的另外一个出口形成二次色散,通过这两次色散的结果可以把白色的光分成彩色的,这是通常能够观察到彩虹的基本物理原因。另外一个问题就是折射的问题,刚才说鱼在水里面能看到人的问题,也就是说如果将光从光密介质传输到光疏介质的时候,折射角是大于入射角的,我们可以看到随着入射角的逐渐变大,折射角越来越大,直到大到90度的时候,形成一个所谓的临界角,在临界角下就没有光透过这个界面,如果再继续增大,那么这时光都会在介质2中形成完全的反射。


                               
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光的色散

这是一个实验的图,我们通常称这种现象为全反射。


                               
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全反射

这个过程中的全反射,应用地非常广泛,比如说钻戒,如果想要它闪闪发亮,就要考虑能做的一个各种方面的全反射角,而且可以通过一个简单的实验,比如说把激光打在一个流水的小孔上,会发现这个水流可以把激光的传播途径改变打在手上,如果没有这个水,激光是直线传播的。而这种所谓的全反射现象,可以把它放到光纤当中,你就可以看到通过不同的光信号来传播信息,从而实现高效的或远距离的传输。光纤在我们生活当中已经逐渐有非常好的应用,比如说检测相机,一些反恐电影里面,警察都会用光纤塞进有劫持人质的房间里面,看看有多少人质、有多少劫匪。而另外一个全反射最大的应用,就是光纤传输的应用,随着海底光缆的传输,我们能够非常高速地向全世界各地传播各种信息,比如说在当前肺炎这种疫情下实现远程上课。同时光纤的发明者是一位华人科学家叫高锟先生,他被称为世界的“光纤之父”。光纤的发明,使得他在2009年获得诺贝尔物理学奖。

09 光的吸收

另外一个问题就是光的吸收,光的吸收就是使光通过材料的时候与材料发生相互作用,电磁辐射的能量被部分或者是全部转为其它能量的物理过程。当把一束光打在这个介质上,会发现传输的能量除以输入的能量,我们通常称为透射,如果把总能量除以透射的能量,可以得到一个所谓的吸收系数。可以看到在这个里面,如果吸收系数越大,光的穿透能力就越弱。可以看到,当吸收系数在5的时候,光基本传不过去,如果吸收系数是1,光就能比较轻松的传过去。


                               
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光的吸收

而光的吸收在生活当中是非常常见的,比如说柠檬黄色的原因是由于白光照在柠檬上,蓝光被柠檬吸收以后,反射到我们眼睛里的是红光和绿光的混合,从而形成黄光。另外绿叶也是,白光的其它颜色都被绿叶吸收,只能看到绿色的反射光进入我们眼睛,这是我们观察到绿色的原因。

另外一个问题大家可能没有注意,在夏天的时候,你会看到大家都穿浅色的衣服,其实物理原因很简单,如果你要穿深色衣服,你会吸收很多颜色的光,会导致你感觉很热,所以大家都会穿浅色的服装。其实光的吸收对人类影响最大的是光合作用,也就是植物,当吸收了光和空气中的二氧化碳之后,可以形成氧气并形成糖,这个过程是我们所有的生命之源,光合作用本身是一个非常复杂的过程,也不是我们这一节课主要讲述的内容。

而另外一种光转为其它能量的方式就是光可以转成热能或者电能。最常见的就是光转为热能,在高原地区烧水的时候,实际上就直接用两个反射的镜面来打在开水壶上,就可以把水烧开。同时呢 ,全国各地或者世界各地的太阳能热水器或者太阳能热水管这种器件,是直接将太阳能转成热能。


                               
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反射镜面烧开水

太阳能可以转成电能,我们希望能通过太阳能发电达到生活用电的要求,而最简单的器件结构就是我刚才说的发光器件结构,非常类似的,P型和N型的半导体结合一起,加反向偏压,有光照的时候,就可以产生电。这种太阳能电池的结构经过不断地优化和提高,我们已经把它提高到了非常高的效率,并且直接应用到我们现实生活当中。另外光的吸收还有各种其它的用途,比方说用它来做各种表征或者是成像,现在用的照相机,手机的摄像机,都是因为将光打在摄像机的探测器上,然后进行进一步成像,从而达到非常好的成像效果。


                               
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光电探测器

另外刚才提到,光也是一种电磁波,我们也可以通过不同波长的光进行一些成像和检测。比如说用红外光成像,夜间的时候士兵如果带着红外眼镜,就可以在夜里看到远处的敌人。另外还有不同波长的光成像可以有一定的穿透力,比如太赫兹成像,可以看到这幅图里面,通过太赫兹成像我们可以看到他藏在衣服里的手枪和在腰里别的刀。


                               
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太赫兹成像

我们不仅可以通过光的吸收或探测对物体进行成像,还可以对物体本身进行表征或者监测。比如说现在在疫情当中用的最多的红外测温仪,或者是红外监测器,所谓的红外监测器,就是装在家里通过它监测有没有人,如果有小偷进来,就可以用红外监测器监测到有红外信号,那么这时候就可以报警。而红外测温仪就是通过测量人体表面的温度,但是它们的精度不一样,比如说红外监测器主要能区别出来20度或者25度跟35度的区别,而红外测温仪的温度分辨率要到0.2度,如果是差5度的话,那么这个红外测温仪是没有用的。

随着现代技术的发展,大家有没有想过,我们究竟能看到多弱的光,大家可能没有考虑过这个问题,现在的技术可以实现单个光子的探测。所谓单个光子的探测,就前一位老师讲的,光既是电磁波又是粒子,如果考虑它是粒子的话,我手上这个激光器1秒钟能发出的光子数大约是1015,1015是什么概念呢?就是说大约有1千万亿个光子,而现在的探测器可以测到1千万亿分之1,也就是可以测到几个光子的分辨。所以随着技术的发展人们对光的了解会越来越清楚。


                               
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光子探测器

光子的一生,我今天介绍了从光的发射到光的传输,最后被吸收。它们的时间有长有短,比如说如果考虑我们屋里的灯光到桌面上被我们的眼睛所看到的时间,大约是10个纳秒。而如果我们考虑太阳的光能传到地球的时候,它需要的时间大约是8.3分钟。而仙女星座星系的光,如果能传到我们星球上,大约是250万年,所以光子的寿命有长有短,但经历和个性各不相同,正是由于这种不同,才给我们带来一个绚丽的世界。


                               
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好,我们今天的课就到这里,今天主要给大家介绍了光的产生、传输和吸收,跟我们生活中密切相关的,比如光是如何来的,它是如何传输,我们看到的一些自然现象怎么用光学知识解释,以及简单的物理原因,希望大家通过今天的学习能够对自然界中神奇的光学现象,有一个物理的认识和物理的理解,谢谢大家。

万物于弧
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