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1、光的力学效应-系列实验李银妹2006年.1月.10日光的力学效应？光有力量吗？光子与物体的相互作用光携带有能量和动量（线性动量和角动量）,光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.光子能量:光子动量:光的动量是光的基本属性之一。光与人类生活的关系非常密切，伴随科学的发展和人类文明的进步，人们对光的认识也越来越深入。光与物质相互作用—光的效应光的效应:在光的作用下，物体宏观上产生的各种现象光的热学效应:光与物体相互作用时物体的温度发生变化.—常见现象光的力学效应:光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力
2、或力矩,物体发生位移,速度和角度的变化.—难以察觉(光电效应,磁光效应,光化学效应,…)本讲光的力学效应主要内容安排:一.光的力学效应－历史与未来1.光-动量-光压-力2.普通光和激光的力学效应3.激光的力学效应(微观,界观,宏观)4.光镊--光的力学效应的典型二.光镊技术1.原理-单光束梯度力光阱2.特点和功能3.应用列举三.创建光的力学效应系列实验的意义1.线性动量2.角动量四.光的线性动量实验1.实验预习和基础2.实验内容五.结束语一.光的力学效应－历史与未来光---动量---光压---力1616
3、年开普勒---提出光压的概念从光的粒子性观念出发---具有一定动量的光子入射到物体上时无论是被吸收或反射，光子的动量都会发生变化，因而必然会有力作用在物体上，这种作用力我们通常称为光压。康普顿效应历史上，康普顿效应是光子学说的重要实验依据，也是光子具有动量的直接证明。典型的例子有X光的康普顿散射。1923年美国物理学家康普顿在研究X射线光子与自由电子之间的弹性碰撞，解释了实验观察到的各种现象。在这一弹性碰撞过程中，光子与电子相互作用，不仅要遵循能量守恒定律，而且要遵循动量守恒定律。光子具有动量，这在一些
4、研究物质微观过程中起着重要的作用。为什么我们感受不到光的压力？单个光子动量很小:烈日:1达因/平方米是标准大气压的亿万分之一普通光源的力学效应微乎其微！光子密度低，方向性差！实验观测和测量极其困难！1960年激光问世：-----高的光子流密度的激光束方向性好，高亮度光的力学效应能够得到充分展示10mw的He-Ne激光，亮度是太阳的一万倍！会聚光束的焦点处1微米小球受到的力可达10-6牛顿。光的力学效应研究进入了一个全新的时代！光的力学效应的应用：1光与微观粒子的相互作用原子的激光冷却和捕陷---1997
5、年诺贝尔物理学奖S.朱棣文C,C,达诺基W,D,菲利浦斯玻色－爱因斯坦凝聚的研究---2001年诺贝尔物理学奖C.E.维曼E.A.康奈尔W.克特勒2光的宏观力学效应世界上最大的功率和能量密度：激光输出脉冲功率已经超过1016w；聚焦强度达8×1013ν/cm2；可产生亿度以上的高温,能焊接、加工和切割最难熔的材料光压-世界上最高的压强：相应的电场强度可达1021w/cm2；相应的光压时达3×1011大气压3.光与微小的宏观粒子的相互作用光镊-单光束梯度力光阱1986A.Ashkin使用高度会聚光束产生的
6、非均匀光场，造成梯度力势阱光镊诞生了！光镊是什么？光镊--Opticaltweezers用光做的镊子？光镊如何抓取物体？光镊力有多大？光镊的力学效应的应用？二.光镊技术1原理2特点3功能4应用烟草细胞在光镊的操控下定向运动光镊的原理梯度力光阱原理n>n1-小球/液体的折射率一对典型的光线a和b经折射后产生力Fa和Fb，其矢量和F是指向焦点f处,当小球的球心O和焦点f间有偏离时，Fa和Fb的,合力F总是使小球趋向焦点f处，力F是回复力。只有光场的梯度大到能保证焦点附近的梯度力大于散射力时才能形成一个三维光
7、学势阱而稳定地捕获微。光镊操控1微米粒子光镊–光陷阱—光镊操控微粒的现象尤如宇宙黑洞或吸尘器将微粒吸入无底的深渊。阱域、阱深和阱力对于微小的粒子/细胞,几十纳米-几十微米，光的力学效应还是非常大的。可以明显看到光阱周边的粒子以很快的速度/加速度坠入阱中被囚禁，操控的速度相当的快。光镊—基本操控方法光镊操纵微粒的尺度：纳米-微米光镊力有多大？1fN/人×60亿--1根发丝---细胞，单分子间的相互作用力传递微小力的使者--微小力的探针！光镊---一种特殊的光场形成的光势阱,它是用光形成的镊子!光镊具有机械
8、镊子抓取物体的功能,是类比机械镊子形象的称呼。光镊/光学镊子/光学势阱/单光学梯度力势阱光镊的特点研究个体行为的工具！！！应用都是基于对单个微粒的捕获与操控。自然界，一切宏观现象都是大量个体行为的群体效应，因此，解释宏观自然现象就需要获取单个微粒个体行为信息。能够实施对单个微粒的操控正是研究个体行为的首要条件。对单个活体生物以非接触的遥控方式，实施无损无菌操控；实时动态跟踪、进行微小力的测量。生命科学家可以挑选所需要的特定活细胞来观察它的个
