光的基本现象与原理.doc

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1、光的基本現象與原理曹培熙台大物理系暨醫學院雷射醫學研究中心(民國89年3月9日修訂)1.光的產生與傳播1.1光源A.宏觀光源太陽、各種火燄、各種熾熱的物體、水銀燈與鈉燈、霓虹燈與各式放電發光的燈(包括閃電)、各型螢光燈、螢火蟲、螢光幕、發光二極體、同步輻射加速器等帶電粒子加速器、各型雷射、業界正在積極投入生產的高分子發光器件，都是把某些形式的能量轉變成光能的物質系統，它們就是各類宏觀光源。B.微觀光源宏觀光源內的某些微觀帶電粒子(主要是一部份電子)，則是光(乃至其他電磁輻射)的最基本源頭。它們受到某些外力作用(受到加速或減速)或承接外

2、界傳來的某些能量，而具有較初時為高的能量，但是後來會恢復原來的低能量狀態，而把多出來的能量釋放出去。微觀光源釋放能量的途徑中，包括以光能方式將能量放出去的交互作用。C.光源影響光的品質光源所含的物質種類、狀況及環境會影響光的品質，也就是說這些條件的不同，會造成光譜(光強度隨頻率分佈的情形)、時間特性(頻率與相位)、空間特性(光場之橫向分佈、方向性與偏振)、強度(亮度)等的差異。例如2000年奧運聖火改變燃料，可使煙少而光更亮。又如爐火溫度較高時偏向藍色，溫度較低時偏向紅色。氫的分子和原子發出的光色不一樣，氫原子與氖原子發出的光色也不相

3、同。雷射與手電筒的光束在亮度發散度等方面有很大差異。1.2光波與光子光兼具粒子與波動的性質，也就是說它會呈現粒子的現象(具有能量、動量、角動量，因而會與其他粒子作用而在吸收、反射、透射等過程中交換這些物理量，並遵從相關的守恆原理)，也會呈現波動的現象(具有頻率、波長、振幅等等，因而會產生駐波、干涉、繞射、偏振)。A.光的波動a.電磁波及其傳播有波動的水面在最低、中間、最高位置之間依一定的頻率起落，它振動著的是水(水面)的高度，光波的振動量是電場與磁場。它們是可以施力於帶電粒子的物理量，例如一個帶電量為Q的粒子在某處受到的電力為F時，該

4、處的電場為F/Q。光波裡的電場在振動，使得周圍出現振動著的感應磁場；振動著的磁場又引起振動著的感應電場。由於感應的場發生在原來有電磁場位置(即前一時刻光波到達位置)的周圍，所以場就由光波的先前位置向外傳播，有振動電磁場的位置逐步移開，而形成了電磁波。波源是波的源頭，波源周圍可跟著波源振動，亦即可讓波通過的環境稱為波的介質，聲波的振動量是位移、密度、壓力等力學量，所以必須以物質作為介質。光源就是光波的波源，然而由於光波的振動量是電磁場，所以它的介質包含物質與真空。在光源裡，有些作用使電荷及(或)電流受到擾動，因而電場及(或)磁場受到擾動

5、，就像石子或風擾動水面一般。在離開宏觀光源夠遠處，可以將波源看成一個點，稱為點光源；個別的微觀光源當然也是點光源。b.波前與射線光波從光源傳出去，離光源愈來愈遠，它的最前緣稱為波前。人們常以垂直於波前、背離光源的箭號，顯示該處光波的行進方向。把通過空間各處的這種箭頭連起來，形成可以表現波之行進途徑與軌跡的一系列曲線，稱為射線。光波的射線就是光線。與圓形波及球面波對應的射線都是沿半徑向外的直線。在距波源甚遠處，圓周與球面都已相當平坦，分別近似於直線及平面，而成為直線波及平面波；跟它們對應的射線是一系列相平行的直線。因為太陽離地球很遠，所

6、以從太陽來的光波可視為平面波，從樹葉縫隙透過的太陽光束，就是一系列平行光線組成的。c.頻率(波長、週期)一般而言，光波頻率決定於光源的發光過程(包括光源物質狀態及交互作用)，但是杜卜勒(Doppler)效應會造成變化，使接收光波者所感受的頻率異於光源所決定的頻率。這是各種波動都會發生的現象，例如聲波、超音波與微波。從血液的流速到車速都可以藉這效應測出，它也是判讀從遠方星球來的光而得知宇宙膨脹的依據。d.振幅與強度波源藉著振動與周圍環境相作用，波源本身的能量就在對外作功當中傳給環境，因而波動是傳送能量的一種現象，例如聲波中傳播著的能量是

7、動能與彈性位能。波動通常有兩個互為消長的物理量，例如位移與速度、電場與磁場，它們的消長也表現在相關能量的起落上。但是，各個能量一般都與相關物理量的平方成正比，因而一個體積內的總能量就與振幅的平方成正比。另一方面，因為波所攜帶的能量決定於波源提供的能量，所以波的振幅也由波源的功率決定。如果波動沿著管狀空間傳送(例如光纖傳光與聽診器、傳聲筒傳聲)，在途中各處不會散失能量，則每秒內通過各個截面的能量固定不變，聽(看)起來處處都一樣的響(亮)，我們稱這「管」中各處的波一樣強，而波的強度即指：在波所經過的空間中，垂直於波行方向的截面上，每秒內通

8、過每平方公尺的能量。因此，光越強的地方，每秒內通過每平方公尺的電磁場能量越多，該處的電磁場振幅越大。若是沒有物體來約束波的傳播，則離波源愈遠時，能量就分散到愈廣的面積上，強度就因距離之遞增而遞減，所以通常離光源愈遠則光愈