四、光学与近代物理

可见光 能引起人视觉的电磁波。广义范围内的光指全部电磁波（如图）。迄今为止，所知的最长波长为 107 米左右，最短波长为 10-15 米左右。其中能引起人视觉的可见光波长约在 7.7×10-7～3.9×10-7 米，它包括从红光到紫光的各种单色光，其波长范围大致如下表（×10-7 米）：

7.7 6.3 6.0 5.7 5.0 4.5 4.3 3.9

在全部电磁波中，除可见光外，还有无线电波、微波、红外线、紫外线、X 射线、γ射线，它们只能借助光学仪器或摄影才能观察到，不能直接引起人的视觉，叫不可见光。

光具有粒子性，组成光的微粒叫光子。光子是一种能量元，其能量等于光波的频率ν与普郎克常数 h 的乘积 hν。光与近代物理学的发展和成就密切相关，尤其是 20 世纪 60 年代激光的产生和应用为光学的研究和发展开辟了新的领域。

不可见光见 “可见光”。

天然光源 自然发光（电磁波）的物体。主要指太阳和一切发光的星体。在茫茫宇宙中，有无数星体在常年累月地自然发光，其中对地球影响最大的是太阳。太阳发出的光是地球上光和热的主要源泉。科学家们测定，每分钟内垂直于太阳光的平面上，每平方厘米受到的太阳光能

（辐射能）是 1.97 卡，我国陆地表面每年接受到的太阳光能约为 1.2× 1019 千卡。

以太阳光为主的天然光源有许许多多的优越性。但它比较分散，又限于白天，并易受气候条件的影响，数量也不够稳定。人类在发展进程中，为弥补这些不足，从发明用火开始，逐渐发现和开发了许多其它光源，同时对太阳光源的利用也更为充分和广泛。

人造光源 人工制造的光源。人类最早依赖的是天然光源，由于生存和发展的需要，发明了用火，从而使人类文明向前迈进了一大步。19 世纪以前人们使用的人造光源主要是燃烧的物体如火把、油灯、蜡烛、煤气灯等。进入 19 世纪发明了电灯；20 世纪初，制成了气体放电灯；20 世纪 50 年代以后，场致发光灯、放射性同位素灯相继出现；1960 年又出现激光器。除古老的燃烧物外，常见的人造光源主要分为：①热辐射光源。利用热能激发的光源。任何物体都有热辐射现象，给物体加热，使之温度达到 1500℃左右，就可辐射白炽光。温度越高，辐射的总能量越大，且短波长光的能量占的比便越大。热辐射光源发射连续光谱。常见的有弧光灯、白炽灯、碘钨灯等。主要用于室内、室外照明。②气体放电光源。利用气体放电发光的光源。气体放电时，被加速的电子及离子同气体原子、离子、分于碰撞，使后者受到激励而发光，以及电子同正离子复合而发光。其发光光谱有线状光谱，带状光谱，也有连续光谱。发光的性质与气体种类、气压高低、电流密度的大小及光源的具体构造等因素有关。控制这些因素可制成多种气体放电灯，主要有低压汞灯、高压汞灯、氙灯、钠灯等。可用于室内、外照明，各种摄影的光源及显微镜等光源。③激光光源。能够发射激光的装置。具有高定向性、高单

色性、高相干性、高亮度等特点。常用的有固体激光器、气体激光器、液体激光器等。在工业、农业、生物学、医学及通讯等方面有极广泛的应用。此外还有电致发光屏、光电二极管等也属人造光源。

光能量 光源在单位时间内，向周围空间辐射并引起视觉的能量。用符号Φ表示。在国际单位制中，光能量的单位是流明，简称流，记作lm，规定一个面积为 5.305×10-3 毫米2 的绝对黑体在铂的凝固温度2040K时所辐射的光能量为 1 流明。发光体每瓦功率完全化为波长等于 555 毫

微米的光波时，其光能量为 683 流明。

当 1 流明的光通量照射到 1 米 2 的被照面时，被照面上接受的光能量

为 1 勒克斯。勒克斯叫照度的单位。

发光强度 点光源在单位立体角内发出的光通量。用符号 I 表示。它是点光源在一定方向范围内发出可见光强弱的物理量。如图，点光源 S 发出的光在 r 方向上的Ω立体角范围内的光通量为Φ，则发光强度 I=

Φ 。发光强度的单位为坎德拉，记作cd，1坎德拉 = 1流明 / 1球面度。

Ω

如果光源沿各个方向上的发光强度都相等，则称光源的发光是各向同性的，它在总光通量为 4πI。但大多数光源的发光强度因方向而异。上图表示一盏白炽灯加罩与否的发光强度曲线。功率为 3000 瓦的超高压

短弧氙灯，发光强度最大可达 15000 坎德拉。

光的介质光在其中传播的物质。又称媒质。一般指空气、水、玻璃等实体物质，有时我们把真空也称为介质。光在同一种均匀介质中是沿直线传播的，当光从一种介质到另一种介质的平滑面时，发生偏折而进入第二种介质（见“光的折射定律”），两种介质相比，偏折程度小的

（即与法线的夹角小）称为光密介质，偏折程度大的称为光疏介质。光疏和光密只有相对意义。如水和玻璃相比，水是光疏介质，玻璃是光密介质；水和空气相比，空气是光疏介质，而水却成了光密介质。

介质还通常分为透明介质和不透明介质。通过透明介质，人眼可以看到发光物体。有些介质可以挡住人的视觉，显示为不透明介质，其实是挡住了可见光。对广义范围的光（电磁波），如红外光、紫外光、X 射线等，则又成为透明介质。工业、科技及一些特殊的探视，常常利用这个特点进行特殊的检测。

光在任何介质中的传播速度小于光在真空中的传播速度。光在光密介质中的传播速度小于在光疏介质中的传播速度。

光速 真空中电磁波的传播速度。从广义上讲，光是各种波长的电磁波，人们最初通过测量可见光的传播速度得到它的数值，因此称为光速，用符号 c 表示。目前国际上公认的真空中的光速 c 的数值为

c=299792458 米/秒。

早在 17 世纪前，天文学家和物理学家们就对光的传播进行过大量的研究，但均未取得较大成果。到了 1849 年，法国物理学家 A.H.l.斐索用齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量。他的实验装置如图所示。图中光源 S 发光的光束在镜面 G 上反射，经透镜 L1 聚焦到 O 点， 从 O 点发出的光束再经透镜 L2 变成平行光束。经过 8.67 千米后通过透镜L3 会聚到镜面 M 上。再由 M 经原光路返回达 G 进入观察者眼中。置于 O

点的齿轮旋转时把光束切割成许多短脉冲，他用的齿轮有 720 个齿，转

速为 25 转/秒达到最大光强，这相当于每个光脉冲往返所需时间为1/18000 秒，往返距离为 17.34 千米，由此可得 c=312000 千米/秒。

1926 年，美国物理学家 A.A.迈克尔孙用旋转镜法改进斐索的实验，

测得光速的平均值为 299798±4 千米/秒。

1952 年，英国实验物理学家 K.D.弗罗姆用微波干涉法测得的数值为

299792.50±0.10 千米/秒。这个数值一直沿用到 1973 年。

1972 年，美国标准局的 K.M.埃文森等人采用直接测量激光频率和真

空波长值的方法，用两者的乘积得出真空中光速的数值为 299792458±

1.2 米/秒。这个数值被推荐使用到 1983 年。

1983 年，第 17 届国际计量大会通过米的新定义为：“米是光在真空中在 1/299792458 秒的时间间隔内行程的长度。”从而确定真空中的光速值为定义值，它的不确定值为 0，不需要再进行任何测量。

本影 点光源发出的光在传播过程中遇到不透明物体时，在物体后方形成的暗区。公元前 300 多年，我国《墨经》中就有关于影的说明（如图）。如果光源不是点光源，不透明物体后面的暗区情况有所不同。如图，光源（蜡烛）可以看成是若干个点光源的组合。取其中的两点 A、B， 它们分别在物体后形成暗区，两个暗区的重叠部分是光线完全射不到的地方，是本影区。两个暗区各自单独存在的部分只有部分光线照到，是半影区。影的形成是光直线传播最直观的证明。

点光源生成的影区周围可以出现亮边，这是由于光的波动性，光遇到障碍物后，发生衍射的结果。

发光体越大，本影区越小。如白炽灯下的人影很清楚，荧光灯下的人影十分模糊，就是两者比较而言，白炽灯可看成是点光源，发光面小； 荧光灯的发光面就比白炽灯大得多。医院里外科手术用的无影灯，就是在一个很大的圆形灯罩里交错排列或呈环形排列几个到 10 多个灯球，每个灯球里有一个镜面灯泡，灯炮下半部的内壁上涂有一层铝，把光线均匀柔和地反射到整个灯球上。这样，各个灯球都能把光线照射到手术台上，既保证有足够的亮度，同时又不留任何影子。

影在生产、生活中还有很多用途。

半影 见“本影”。

日食 月球处于地球和太阳之间在地球上形成影的现象。

月球的影可以分为本影、半影和伪半影三部分。月球绕地球的轨道和地球绕太阳的轨道都不是正圆，所以日、月同地球之间的距离时近时远。因此，在日食时，观察者在本影范围看到太阳全部被月球遮住，称为日全食；观察者在半影内则见到太阳部分被月球遮住，称为日偏食； 观察者在伪本影内见到太阳的中间部分被月球遮住，周边剩下一个光环，称为日环食（如图）。

当月球绕地球运行到太阳与地球之间几乎与太阳同起同落时，从地球上见不到月球，这时称为朔，日食现象发生在朔的时候。朔的周期约为 29.5 天。但不是每隔 29.5 天都发生一次日食，原因是月球绕地球运行的轨道平面和地球绕太阳运行的轨道平面不完全重合，两者之间有5°9’的平均夹角。所以只有当朔时太阳离两个轨道平面的交点在某一角度以内时才会发生日食。

月食 月球进入地球阴影，月面变暗的现象。地球在背着太阳的方向有一条阴影，叫地影（如图）。地影分为本影和半影两部分。本影没有受到太阳直接射来的光，半影受到一部分太阳射来的光。月球在绕地球运行过程中进入地影后就发生月食。月球整个都进入本影发生月全食；部分进入本影发生月偏食。月全食和月偏食叫本影月食。有时月球只进入半影而不进入本影，发生半影月食（如图）。

当地球处在太阳与月球之间时，月球朝向地球的一面照满太阳光， 从地球上看月球，月球呈光亮的圆形，这叫望。望的周期与朔相同，月食只能发生在望的时候。但由于地球与月球运行轨道不在同一平面，而有一个 5°9′的夹角，不是所有望的时候都发生月食。只有当月球运行到两个轨道平面的交点附近时，月食才可能发生。

光的反射定律 在光的反射现象中，确定反射光线走向的定律。是几何光学的基本定律之一。光入射到两种介质的平滑界面时，常有部分光返回到原介质中，这种现象称为光的反射现象。反射定律的内容是：

①反射光线位于入射光线和法线决定的平面内；②反射光线和入射光线分别位于法线的两侧；③反射角 r 等于入射角 i。由上述反射定律内容可知，在反射现象中，光路是可逆的（见“光路的可逆性”）。公元前 11 世纪，我国已使用铜镜，这是最早关于光的反射现象的研究和应用的记载。公元前 4 世纪，墨翟所著《墨经》中就有关于平面镜的记载。公元

前 3 世纪，古希腊数学家欧几里德在他的著作《光学》一书中就明确阐述了反射定律。1690 年惠更斯在《光论》一书中从波动说推导出反射定律，为声学及无线电波的研究奠定了理论基础。

平面镜 镜面为平面的反射镜。依照光的反射定律，平面镜只改变光束的方向，不改变光束的单心性，平行光束、会聚光束、发散光束经平面反射后的情况如下图所，示。从图中看，平行光束反射后的光束仍为平行光束〔图(1)〕，会聚光束反射后的光束仍为会聚光束〔图(2)〕， 发散光束反射后的光束仍为发散光束〔图(3)〕。

图(3)中的 S 可以是物或点光源，从 S 点发出的光线是发散的，经平面镜反射后，反射光线是发散的。但它们的反向延长线交于一点 S′，S

′是 S 的像，由于它是反射光线的反向延长线相交而成，称为虚像。虚像不能在屏幕上显示。只能用眼睛直接观察。除平面镜外，放大镜、望远镜、显微镜等的使用都是为了得到物体的虚像。

平面镜所成的虚像，可根据光的反射定律用作图法求得。如图(4)， 物休 ABC 置于平面镜 MN 前。从 A 点任意引出两条光线分别交平面镜于 O、O′，在 O、O′点作光线 AO、AO′的反射光线 OP，O′P′，OP、OP′的反向延长线交于 A′点。A′点就是 A 点的虚像点。用同样的方法可得到B、C 的虚像点 B′、C′，A′B′C′就是经平面镜 MN 所成的虚像。从成像过程可知，平面镜成像，像物等大，与镜面对称，正立、反像。

如果保持入射到平面镜的光线不变，将平面镜转过θ角，则反射光线将偏 2θ角［如图（5）］。利用这个特点，可将微小变化放大，称为光杠杆放大作用，在物理实验中不少地方用到这一作用。

用两个以上的平面镜组成的平面反射镜组叫角镜。角镜可以有效地控制光路，常用的角镜有 45°、90°两种。与两镜垂直的平面叫主截面。所有在主截面内的入射光线经角镜反射后，与入射光线的方向是镜夹角

的倍。在一些光学仪器中使用角镜，可以保证工作的可靠性。物体通过角镜后，可以成多个像，改变镜的夹角，像的个数也将随之改变。像的个数 n 与镜夹角 a 的关系为 n＝360°/a-1。如由互相垂直的平面镜组成的角镜（夹角 a＝90°），像的个数 n＝360°/90°-1=3。

镜反射和漫反射 光线经光滑面发生的反射现象。镜反射遵循反射定律，反射光线是有规律的。平面镜、球面镜及各种曲面的反射都是镜反射。镜反射能生成各种像，并在适当位置和范围内能观察到。在现实中，大量的反射都不是在光滑面上进行的，反射面是粗糙的。在粗糙的表面进行的无规则反射叫漫反射。如图，光线经粗糙表面 MN 反射后，漫反射到各个方向，但就其中的每条光线而言，都遵循反射规律。一般物体，我们之所以能从各个方向看到它，就是漫反射的结果。漫反射在实际中有广泛的应用。

球面镜 镜面为球面的反射镜。在球面镜中，反射面为凹面的叫凹面镜，又叫凹镜。凹镜对光线有会聚作用，又叫会聚镜。反射面为凸面的叫凸面镜，又叫凸镜。凸镜对光线有发散作用，又叫发散镜。如图， 球面镜的中点 O 叫顶点，顶点与曲率中心 C 的连线叫主光轴，简称主轴。平行于主轴的光线经球面镜反射后，它们的反射光线，或反射光线的反向延长线相交于一点，这一点叫球面镜的主焦点。对凹面镜而言，这一点是反射光线相交而成的，叫实焦点，用 F 表示；对凸面镜而言，这一点是反射光线的反向延长线的交点，叫虚焦点，用 F′表示。垂直于焦

点的平面叫焦平面。焦点到顶点O的距离叫焦距，用f表示，f = 1 OC。

2

球面镜的成像可用作图法求得，其方法与透镜成像作图法相同。还可用公式法求得。设 u、v 分别为物距和像距，则成像公式为 1/f＝1/u

＋1/v。凹镜的成像可以是实像，也可以是虚像，虚像是放大的，实像可以是放大的，也可以是缩小的。凸镜只能成缩小的虚像。球面镜成像的大小与镜面曲率的关系，在我国战国时代就有所认识。到了宋代，科学家沈括又进一步作了正确的描述。

球面镜的用途很广泛，如望远镜的物镜，紫外显微镜的目镜等。凹镜的聚焦作用，常用于对太阳能的利用，一个约 2m2 的太阳能灶 15 分钟左右可煮沸约 2 千克的水。凸镜对光线的发散作用，常用作汽车的倒视镜或马路拐弯处的反光镜。

小孔成像 物体（即光源）通过小孔能成倒立实像的现象。小孔成像是光的直线传播的直接证明。如图，把物体 ABC 置于挡板 P 前。在挡板上有一个小孔 O，挡板后有一屏幕 m。选择物体上的三个发光点 A、B、C，由于光沿直线传播，经小孔 O 后，在屏幕上得发光点 A′、B′、C′。由于物体 ABC 可以看作由无数个发光点组成，于是在屏幕上就得到像 A

′B′C′。在小孔成像中，孔的大小和孔在屏幕的距离与成像有

关，设小孔的半径为d，其成像的最佳大小为 0.6λ。式中f为小孔到屏幕

的距离，λ为光波波长。孔太大只能得到一个光斑，孔太小会产生衍射图样，使像变得模糊。如对λ＝5.5×10-7 米的光，若小孔直径为 0.001 术，f=0.3 米，则可得到较为清晰的像。

小孔成像的现象在我国古代的《墨经》中就有描述。公元 1279 年， 郭守敬根据小孔成像的道理，改进了日晷，提高了夫于日影测量的精确

度。历史上最早的针孔照相机就是根据小孔成像的原理制成的。它的基本结构就是在一个箱子的一侧开一个小孔，把与小孔相对的一侧作为屏，成像后，把屏换为感光胶片，物体通过适当的时间曝光，就在胶片上留下了像。

在阳光明媚的天气里，我们常常可以在树下的地面上看到很多圆形的光斑，这并非是树叶之间的小孔，而是太阳通过小孔所成的像。有的光斑十分清晰，有的十分模糊，这与小孔的半径，树叶到地面的距离有关。

墨翟（公元前 478～392) 中国战国时代杰出的思想家、自然哲学家，墨家学派的创始人。墨翟及其弟子的代表作是《墨经》。书中除论述墨翟本人主张的兼爱、非攻、尚贤等观点外，还论及哲学、逻辑学和自然科学等许多问题。墨翟及其弟子十分重视对自然界的观察摹仿和研究。他们主张通过五官去研究世界，主张认识来源于亲知，提出了认识自然界的三条原则：①以名指实。就是名所指的必须是实际存在的物；

②以辞抒意。就是要以概念去表达判断的含义；③以说其故。就是要阐明原因。《墨经》中对自然科学的论述除几何学、力学外，成就较高的是几何光学，对光源、光的直线传播、影、像、平面镜、凹面镜成像， 光的反射等论述十分完善，堪称世界上最早的光学论述，在世界科学史上占有重要地位。

光的折射定律 是研究光由一种媒质进入另一种媒质产生偏折的规律。其内容如下：①折射线、法线、入射线在同一平面内。②折射线、入射线在法线的两侧。③折射角的正弦与入射角的正弦的比值是一常数。如图所示。

光由光速大的媒质进入光速小的媒质，光线将向法线偏折，即光线配法线的夹角变小。光线与法线夹角正弦的比正好等于两种媒质光速之比，即

sin α1 ＝ v1

sinα 2 v 2

a1，v1 表示媒质 1 中光线与法线的夹角及光的传播速度；a2，v2 表示媒质 2 中光线与法线的夹角与光的传播速度。

折射率 表示光在媒质传播时，媒质的一种特性。绝对折射率是指

光由真空进入某一种媒质，入射角的正弦与折射角的正弦的比值。简称这种媒质的折射率(n)，如图所示。

n = sinα1

sin2

相对折射率是指两种媒质绝对折射率的比值。如第二种媒质的绝对折射率n2 与第一种媒质绝对折射率n1 的比值叫做第二种媒质对第一种媒质的相对折射率 n21。

当光由第一种媒质进入第二种媒质时，光线与法线夹角的正弦与媒质的绝对折射率成反比，则

n ＝ n 2 ＝ sinα1 ＝ v1

21

1

sinα2 v 2

两种媒质相比，我们把光速大的媒质叫做光疏媒质，光速小的媒质

叫光密媒质。光疏媒质与光密媒质相比，它的光速大，绝对折射率小， 光在两种媒质间传播时，在光疏媒质，光线与法线的夹角比光密媒质光线与法线的夹角大，列表如下；

光疏和光密是相对而言的。空气的折射率为 1，水的折射率为 1.33， 玻璃的折射率是 1.5。则水对空气而言为光密媒质，水对玻璃而言又是光疏媒质。水对玻璃的相对折射率

n水玻

= n水

n玻

= 1.33 = 0.89

1.5

对折射率以真空为最小，等于 1，其它媒质的绝对折射率均大于 1。所以绝对折射率大于等于 1。

相对折射率可大于 1，也可小于 1。光密媒质对光疏媒质的相对折射率大于 1，光疏媒质对光密媒质的相对折射率小于 1。

光路的可逆性 是指光的传播路线是可逆的。利用光路的可逆性可以得出一些光的传播规律。如平行主轴的光线射向凹镜，经反射后会聚到焦点。根据光的可逆性可知：由焦点发出的一束光经凹镜反射后必平行主轴。再如：平行于主轴的光线射向凸镜，经反射后其延长线通过焦点。根据光的可逆性可知：射向凸镜焦点的一束会聚光经反射后一定平行主轴。又如：沿原折射光线的反方向射到界面的光线，一定按原入射光线的反方向射出。在凹镜和凸透镜成像中，如把点光源放在原来所成实像的位置，这时点光源的像一定在原来点光源所在的位置。

全反射 当光射到两种媒质界面，只产生反射而不产生折射的现象。当光由光密媒质射向光疏媒质时，折射角将大于入射角。当入射角增大到某一数值时，折射角将达到 90°，这时在光疏媒质中将不出现折射光线，只要入射角大于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射。所以，产生全反射的条件是：①光必须由光密媒质射向光疏媒质。

②入射角必须大于临界角(C)。

临界角 是指折射角等于 90°的入射角。根据光的折射规律可以求出临界角的大小，如果 I 为光密媒质，Ⅱ为光疏媒质，光线由Ⅰ媒质射向Ⅱ媒质，当入射角等于临界角 C 时，折射角 a2，正好等于 90°，则：

sin α1 ＝ sinC ＝ v1 ＝ n2

sinα 2 sin90° v2 n1

因为Ⅰ媒质相对Ⅱ媒质为光密媒质，所以，v1＜v2，n2＜n1

∴sinC＝ v1 ＝ n2

v2 n1

如果光是由某种媒质（折射率为 n）射向空气（折射率近似为 1)时，

则

sinC v 1

＝ c ＝ n

全反射的应用很广，如改变光的传播方向、测量折射率和传导光束等。

光导纤维 又称光学纤维，简称光纤，能传导光信号的纤维材料。由直径仅几微米的芯层和外层组成，主要成分是纯度很高的石英（二氧化硅）。光在纤维中不断发生全反射，从一端传导到另一端。光学纤维的内芯的折射率 ng 大于外皮层的折射率 nb，入射光光线由折射率为 na 的媒质射到 A 点，进入玻璃芯后，直射到芯与外皮层的分界面上。如图

π

所示，只要入射角 − α' 大于临界角

2

，光线由 A 端的入射角 a 应满足：

arcsin nb 时，就产生全反射。这时

ng

sinα

sin α'

= ng

na

sin α = ng sin = ng sin π − arcsin n b 

na n a  2

ng 

= ng cos arcsin nb = 1 a ² − n ²

na ng n a

 1

∴α = arcsin

n



 _a

 1 _{2 2} 

只要光线由A端的入射角不大于arcsin n n_g − n_b  时，光线在玻

 _a 

璃芯内就能连续不断地产生全反射，从光导纤维的一端传导到另一端。光导纤维作为现代光通信的传光关键器件，主要有以下特点：(1)传

输损耗小。一般损耗小于 20 分贝／千米，目前已有仅为 0.2 分贝／千米的超低损耗光纤问世。(2)容量大，即同时可通过的信息量大。目前已有一对光纤同时传送 150 万路电话和 2000 套彩色电视的纪录，比现有的

1800 路中同轴电缆载波通信的容量大 800 倍以上。(3)传输质量高，抗干扰、保密性好。光信号传输过程中失真、畸变、误差小，不产生也不受电磁干扰。(4)足够的强度和可挠性。不仅加工、使用方便、耐久性好， 而且可以任意弯曲传光。（5）材料来源广，成本低。目前成本仅为 0.25～

1.5 美元／千米，并在继续下降，同时节约了大量有色金属材料。

光导纤维除用于激光-光导纤维通信传感器等外已开始在空间技术、生物工程、能源工程等新技术领域大显身手，成为引人注目的基础新技术。

光纤通信 利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纤通信。

光纤通信的原理是：在发送端首先把要传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等 20 多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信。中国光纤通信已进入实用阶段。

发散光束和会聚光束

发散光束 是指光束的截面积不断扩大的光束。由一个点光源产生的一束光就是发散光束。

会聚光束 是指光束的截面积不断减小的光束。凸透镜是指中间厚度大于边缘厚度的透镜。

凸透镜 就其形状来说有双凸透镜、平凸透镜和凸凹透镜（中间要

一束光通过凸透镜以后光的传播方向要向透镜的主轴偏折。原来是会聚的光束，通过凸透镜后，会聚程度增大；原来是平行的光束通过凸透镜后成为会聚光束；原来是发散的光束通过凸透镜后将减小其发散程序， 甚至变成平行光束或会聚光束。

凸透镜可以产生小的、等大的和放大的倒立实像，也可以产生放大的正立的虚像。

应当注意，凸透镜对光线有会聚作用，不等于凸透镜可以把各种光束都变成会聚光束，会聚作用与会聚光束具有不同的含义。

凹透镜 是指中间厚度小于边缘厚度的透镜。就其形状来说有双凹透镜、平凹透镜和凹凸透镜（中间要比边缘薄），如图所示，其代表符

方向要向远离凹透镜主轴方向偏折。

应当注意，发散作用与发散光束也具有不同含义。凹透镜只能产生缩小正立的虚像。

光心光轴光 心是指所有通过薄透镜不发生偏折的光线都通过的那一点。光轴是指通过光心的各条直线。如透镜是球面镜，则联结两球面球心的直线为主光轴，简称主轴。如透镜有一表面为平面时，则通过一个球面的球心并垂直平面的直线为主光轴。其它光轴均叫副光轴。通过光心的光线不产生偏折。

透镜的焦点 平行透镜主轴的光线通过透镜后的折射光线的交点

（或其反向延长线的交点）。对于凸透镜，折射光线确实交于一点，这时的焦点为实焦点，对于凹透镜，折射光线是发散的，折射不线的反向延长线交于一点，这时的焦点为虚焦点。光线可以由两边射入透镜，所以每个透镜每边都有一个焦点，这两个焦点相对光心来说是对称的。

透镜的焦距 是光心到焦点的距离。焦距用 f 表示，凸透镜的焦点是实焦点，凸透镜的焦距为正值；凹透镜的焦点是虚焦点，凹透镜的焦距为负值。

透镜的焦平面 是指通过焦点并垂直主轴的平面，光由左向右传播，凸透镜的焦平面应通过透镜右侧的焦点；凹透镜的焦平面是指通过透镜左侧焦点垂直主轴的平面。

实像 某发光点发出的光通过各种光学器件折射或反射后会聚的交点。物体上的每一点均产生一个像点，这些像点的集合就是物体的像。

实像可以用光屏显示，由于光屏的漫反射，从不同的角度均可观察到光屏上所成的实像。不通过光屏显示，也可以直接用眼睛看到物体的实像。但不是在任何角度均可观察到，必须在实像的前方在光传播的范围内， 眼睛对着光的传播方向观察，方可看到。

透镜成像作图 是指用作图法画出物体的像。透镜成像作图要利用三条特殊光线和一般光线的传播规律。任选其中两条即可画出物体的像。

三条特殊光线对于凸透镜是：①平行主轴的光线通过凸透镜后将通过焦点。②通过焦点的光线通过凸透镜后将平行主轴。③通过光心的光线通过透镜后方向不变。对于凹透镜是：①平行主轴的光线通过凹透镜后其反向延长线通过焦点。②射向凹透镜另一侧焦点的光线通过凹透镜后将平行主轴。③通过光心的光线通过凹透镜后方向不变。

一般光线的偏折规律平行副轴的光线通过凸透镜后与副轴相交于焦平面（折射光线那边的焦平面）。平行副轴的光线通过凹透镜后，其反向延长线与副轴相交于焦平面（入射光线那边的焦平面，即虚焦平面）。因为物体的像是物体发出的光通过透镜后所有光线的交点（或其反

向延长线的交点），画出物体（这里指物体上的某一点）的像，只要任选两条光线找出其通过透镜后的交点（或其反向延长线的交点）即可。图(1)是利用一条特殊光线和一条一般光线画出物体的像。AB 是凸透镜的主轴，光点 S 在主轴上，O 为光心，F 为焦点，MN 为焦平面。SO 为光点发出的一条光线，它通过透镜后方向不变，SC 为 S 点发出的任意一条光线，XX＇为平行 SC 的副轴，XX＇与 MN 相交于 D，联接 CD 延长与主轴（这时主轴可看成一条光线）的交点 S＇即为 S 的像。

用透镜成像作图分析一些问题。

例 1．如图(2)所示，在发光点 S 与透镜之间放置一块不透光的挡板， 画出 S 通过凸透镜的像。

分析：由于挡板的遮挡，由 S 发出的平行主轴的光和通过光心的光均无法射到透镜上，给作图带来困难。但我们知道，由 S 发出的通过凸透镜的光全都交于一点，尽管挡板挡住了一部分光，其它光仍交于该点， 所以挡板不影响像点的位置。所以，我们可以假定无挡板，画出像点 S＇， 然后再由 S 点发出任意两条射到凸透镜上的光线，再与 S＇相联即可。如果由 S 射向透镜的光全被挡板挡住，则不再产生 S 的像。

例 2．如图(3)所示，画出 AB 的(3)实像，并标出在哪个范围可以直接看到 AB 完整的像。

分析：利用两条特殊光线可以找到 A 的像点 A＇，通过 A＇作 A＇B＇

⊥MN（主轴）交 MN 于 B＇，则 B＇为 B 的像点。

连接 A 到凸透镜边缘的光线（图中只画了两条光线，实际是一圈光线）AC、AD，再连结 CA＇、DA＇，并延长之，在 EA＇G 这一范围，逆光线的传播方向看，可以看到 A 的实像 A＇。同理，连结 BC，BD 再连结 CB＇ 和 DB＇并延长之，则在 IB＇J 范围内，逆光线的传播方向看，可以看到B 的实像 B＇，B＇I 与 A＇G 交于 K，则在 IKG 范围（如斜线所示范围） 逆光线传播方向看，可以看到 AB 完整的像。

透镜成像规律 凸透镜可以得实像也可以得到放大的虚像，凹透镜只能产生缩小的虚像。可以列表如下：

透镜成像规律可以由光路图的观察，也可以由透镜成像公式的讨论得出。

①用光路图观察 v 随 u 的变化规律。

凸透镜：当物体 AB 逐渐由远移近，靠近焦点时（物距变小），由 A 点发出通过光心的光线与由 A 点发出的平行主轴的光线通过透镜后的交点将不断远离透镜，像距变大，像长变大，如图(1)所示。当物体移至焦点以内(u＞f)，在虚像范围内(u＜f)，当物体移近透镜，由 A 点发出通过光心的光线AO 与由A 点发出平行主轴的光线通过透镜后的折射光线CF 只能反向延长相交，并且与物同在透镜的一侧，这时，|v|＞u，即物距变小(u＜f)，像距的绝对值也变小（像靠近透镜），但像长始终大于物长。如图(2)所示，像正立。凹透镜：当物体 AB 逐渐靠近透镜时，由 A 发出的通过光心的光线AO 与由A 发出的平行主轴的光线通过透镜后的折射光线 CD 的反向延长线（CF）的交点（虚像）A＇将右移，|v|＜u，像长始终小于物长，像正立，如图(3)所示

②由透镜成像公式讨论透镜成像规律。由透镜成像公式可得：

v = uf u − f

= f

1− f u

对凸诱镜来说，当 u＞f 时，v＞0，所得的像为实像；当 u=f 时，v 不存在，无像；当 u＜ f 时，v ＜0 ，所得像为虚像；当 u ＞f ，且

u逐渐变小时，(1− f ）逐渐变小，v变大；当u＜f时，且u逐渐变小，|1 −

u

f |逐渐变大，|v|变小。即在实像范围，物距减小，像距加大（像离镜越u

远）；在虚像范围，物距减小，像距绝对值变小（像靠近透镜）。

对凹透镜来说，f＜0，无论 u 多大，v 均小于零，所得像均为虚

像。由v = u ，无论u多大，|v|＜u；由v = f ，当u减小时，|1− f |

u − 1 1− f u

f u

变大，v 变小。所以，凹透镜所成的像均为缩小的正立的虚像，物距变小，

像与镜的距离也变小。

放大率 是指透镜所成像的像长与物长之比，也等于像距的绝对值与物距之比，即

m = l像

l物

= | v|

u

如果像的截面积是物的截面积的K倍，则放大率m = K。

物 进入光学元件（如透镜）的光线的会聚点及其集合。可以是真实的物体，也可以是某一光学元件的像。在光学系统中，若入射光束是发散的，则物是实物，若入射光束是会聚的，则物是虚物。例如两个透镜组成的光具组，第一个透镜所成的像，就是第二个透镜的物。当第一个透镜成的像位于第二个透镜前，则此像是第二个透镜的实物，若在第二个透镜后则为虚物。对各光学元件而言，像与物是相对的，虚与实也是相对的。一般说，第一镜的虚像必是第二镜的实物，而第一镜的实像则可能是第二镜的实物，也可能是第二镜的虚物。

放大镜 用来观察近处微小物体的简单光学助视仪器。最简单的放大镜是一个焦距很短(1～10 厘米）的会聚透镜（凸透镜）。用放大镜观察物体时，将物体放在它的第一焦点内，物体的放大虚像通过眼睛在视网膜上成实像。当我们用眼睛直接观察比较微小的物体时，若将物休放在明视距离 d 处，物体所张视角 a 将很小，眼睛会看不清楚。若将物体移近，视角虽然比原来大了，但由于物体离眼睛太近，眼睛必须经过高度调节才能使物体成像于视网膜上，眼睛很容易感到疲劳。如果在物体和眼睛之间放一个凸透镜，把物体放在透镜焦距之内，调节透镜位置， 使物体放大的虚像位于明视距离 d，这时我们就可以用增大了的视角 a＇ 在明视距离 d 上观察物体。这样既清楚，眼睛又不疲劳。这就是放大镜

的作用。放大镜的放大率m就是指视角增大的倍数。m＝ α' 。放大镜的

α

放大率还可用m = d 计算，d为明视距离，f为焦距。放大率是放大镜的

f

重要性能参数，常用“x”表示。如 3 倍写作“3x”。透镜的焦距 f 越小， 放大率越大。但是实际上 f 增大，透镜球面曲率也增大，像差也会增大。为使像差不至过大，一般单透镜放大镜的放大率不超过 3 倍。若用透镜组做成复合式放大镜，可以减小像差，同时又可以使放大倍数增大到 15～ 20 倍。这种放大镜常用来观察光学系统所成的像。因工作时靠近眼睛， 又称作目镜。必须注意，放大镜的放大率与透镜的横向放大率是不同的。前者是指视角的变化，后者说的是物与像之间线度的变化。

望远镜 用来观察远而大的物体的光学仪器。由物镜和目镜组成。一般它的物镜焦距较长，目镜焦距较短。物镜通常是凸透镜，目镜可以是凸透镜，也可以是凹透镜。物镜是凸透镜，目镜是凹透镜的望远镜称做伽利略望远镜。物镜和目镜都是凸透镜的望远镜称做开普勒望远镜。任何望远镜都是使远处的物体经物镜成实像，再以此实像为物经目镜成像。因为实物的视角远大于远处物的视角，使我们能看清远处的物体。望远镜并不能将实物放得更大，而只能将实物在视觉上移近一些，达到增大视角的目的。如视角增大 20 倍时，物理和眼的距离就好像缩短到

1 。望远镜的放大率m = α' = f1 。f 是物镜的焦距，f

是目镜焦距。

2 α f 2

望眼镜的分辨本领也是它的一个重要参数。用刚好能分辨的远方两个物点对物镜的张角来量度。该角称为望远镜的最小分辨角，用θ表示。θ

≈1.22λ/D，D 为物镜的直径。可见为了提高分辨本领，就要加大物镜的直径，但这同时又会加大像差。大型望远镜采用反射式物镜，可以消除色差。大型天文望远镜的分辨本领还会因大气扰动而降低，为了减小这种影响，往往将天文望远镜架设在高山上。

第一架望远镜是在 1608 年由荷兰工匠 H．李普希用一个凸透镜和一个凹透镜制成的。目前望远镜的种类很多。按工作原理分有反射式望远镜、折射式望远镜、折反射式望远镜；按用途分有天文望远镜、观察用望远镜、测量用望远镜等。

开普勒望远镜 物镜和目镜都是凸透镜的望远镜。是德国天文学家开普勒在 1611 年发明的。这种望远镜的物镜后焦点和目镜前焦点重合， 因此它的物镜与目镜之间的距离（即筒长）等于物镜和目镜焦距之和。物体 AB 射到物镜 O1 上的光线经折射后，在物镜 O1 的后焦平面（同时也是 O2 的前焦平面）附近形成一个缩小的倒立实像 A1B1，再经目镜 O2 折射后，成倒立虚像于无穷远处。从图可以看到远方物体 AB 对物镜所张视角a，远小于物镜所成实像 A1B1 对目镜所张视角 a＇。视角的张大，

使我们感到物体离我们近了。由图可知，开普勒望远镜的放大率m = α'

α

≈ tgα' = =

tgα

f1 。开普勒望远镜的镜筒较长，所成的像是

f2

倒立的，不便于用来观察地面物体。但它的视场比伽利略望远镜大，而观察天体又无所谓正、倒，因此从 17 世纪中叶起，多用开普勒望远镜来观察天体，因而又称它为天文望远镜。由于筒内所成的是实像，若在实像处安装叉丝和刻度尺，就可以瞄准和定位，观测起来就更方便、准确了。现代天文望远镜中，还可在物镜焦平面处安放照相底片，各种辐射探测器及摄谱仪等，使科学家们可以对宇宙空间作更深入、广泛的研究。如果在开普勒望远镜中加上一组回转棱镜组成的倒像系统，不仅可使所成像正立，还可缩短镜筒。这种望远镜又叫棱镜望远镜。双筒的棱镜望远镜常用于航海、军事和其它野外观测中。

伽利略望远镜 物镜是凸透镜、目镜是凸透镜的望远镜。第一架伽利略望远镜是由荷兰工匠李普希于 1608 年制成的。1609 年伽利略制成了一架放大倍数达 32 倍的这种望远镜，并用它做了许多天文观察，发现了木星的卫星和月球表面的山谷，因此称它为伽利略望远镜。这种望远镜的物镜后焦点与目镜的后焦点重合，因此它的筒长（也就是物镜与目镜的距离）等于两透镜的焦距之差。下图是伽利略望远镜的光路图。从远处物体 AB 一端发出的光线（近似为平行光线）经物镜 O1 折射后，本应会聚在 O1 的后焦平面附近，成一倒立实像 A1B1。但在会聚成像前，就被目镜 O2 这个凹透镜折射成发散光束。这些发散光束的反向延长线的会聚点形成物体的正立虚像 A2B2。当眼睛对着目镜观察时，看到的就是这个虚

像。远处物体 AB 对物镜 O1 所张的视角为α，虚像 A2B2 对眼睛所

张视角为a＇，显然a＇＞a。由图可知a≈tga A 1B1 ，a＇≈tgα＇ = A1 B1 ，

f1 f2

所以放大率m = α′ = f1 。由此式可知，物镜焦距越大，目镜焦距越小，

α f2

放大率越大。但伽利略望远镜的视场较小，且视场随着放大率的增大而减小。为使视场不致太小，一般放大率在 2～6 倍间。由于伽利略望远镜最后所成的像是正立的虚像，所以适合用来作地面观察。例如观测时常用的双筒望远镜就是由两个伽利略望远镜组成的。伽利略望远镜筒中没有实像形成，不能放置叉丝和刻度尺，因此不能作定位和瞄准用，只能用作一般观察。

折射望远镜 用透镜组成的望远镜。分伽利略望远镜和开普勒望远镜两种（详见伽利略望远镜、开普勒望远镜）。最早的折射望远镜是 1608 年由荷兰工匠李普希制造的。最大孔径的折射望远镜是美国凯斯天文台上的天文望远镜，其物镜是直径为 1 米的凸透镜。折射望远镜的缺点是有色差，且大口径透镜很难制作。

反射望远镜用反射镜作物镜的望远镜。其物镜一般是凹镜，目镜是凸透镜。由于反射镜无色差，且加工比透镜容易，因此物镜凹面可以做得很大。大型的天文望远镜多用这种反射镜。最早的反射式望远镜是由牛顿于 1672 年用抛光铜锡合金制成的。牛顿望远镜的物镜由旋转抛物面反射镜和平面镜组成。其光路如图所示。由无限远处射来的平行光线经抛物面镜 M 反射到平面镜 M＇，由 M＇反射后成像于 F＇，再通过目镜放大，除牛顿望远镜外，还有物镜由旋转抛物面镜和旋转椭球面镜组成的格雷戈里望远镜和物镜由旋转抛物而镜和旋转双曲面镜组成的卡塞格仑望远镜等。目前世界上最大的反射式望远镜直径达 6 米，是由前苏联制

造的，安装在高加索的帕斯图霍夫山上。我国 1987 年也制成了直径达

2.16 米的反射天文望远镜。1989 年 11 月安装在北京天文台兴隆观测站。

显微镜 将人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供观察的光学仪器。显微镜主要由一短焦距的物镜和一长焦距的目镜组成。物镜和目镜各相当于一个凸透镜。被观察物体 AB 位于物镜的第一焦点前，被物镜作第一级放大后，在目镜的第一焦点内成一倒立的实像 A1B1，再被目镜作第二级放大，成一放大虚像 A2B2。眼睛看到的，就是这个虚像。显微镜的放大率等于物镜的横向放大率与目镜的角放大率的乘积。显微镜的分辨本领指物镜的分辨本领，用能被显微镜清晰区分的两个物点的最小

间距σ表示。σ = 0.61λ

n·sinu

，式中λ为所用光波的波长，n为物体所在

空间的折射率，u 为半孔径角。n·sinu 称作数值孔径，其数值越大，分辨本领越高。数值孔径是显微镜的重要性能指标，通常与放大率一起标注在物镜镜筒外壳上。例如 40×0.65 表示物镜放大率为 40 倍，数值孔径为 0.65。提高显微镜分辨本领的途径一是提高物体所在空间的折射率n，如油浸物镜；二是采用较短波长的光波。如采用紫外线的显微镜，其分辨本领可达 0.1 微米。而电子显微镜使用高速电子束成像，其分辨本

领比光学显微镜高 1000 倍。

早在 1590 年，荷兰和意大利的眼镜制造者们就造出了类似显微镜的放大仪器。1610 年前后，伽利略和开普勒在研究望远镜的同时，得到显微镜的合理光路结构。1665 年前后，英国的 R．胡克在显微镜中加进了调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台，这些部件经过不断改进， 成为现代显微镜的基本组成部分。1675 年左右荷兰的列文虎克制造出放大率达 200 多倍，分辨率为 1.4×10-6 米的显微镜。19 世纪末德国科学家阿贝对显微镜的设计理论做出了重要贡献，并研制成复消色差显微镜。随着科学技术的发展，人们造出了分别应用于生物学、医学、农业、地质、工业等不同领域的各类显微镜。如偏光显微镜、紫外荧光显微镜、红外显微镜、金相显微镜、双目体视显微镜、扫描显微镜等。

螺纹透镜 一种密纹阶梯透镜。阶梯透镜又称环带透镜或菲涅耳透镜，是一种消球差的大孔径聚光透镜。由法国科学家菲涅耳发明，并成功地应用于灯塔上。将平凸透镜的表面分成许多同心环带，每一环带都有聚光作用，但焦距略有不同。由于透镜的聚光性能主要取决于表面曲率，所以去掉图中画有斜线的部分，将不会影响它的聚光性能。将剩余部分进行调整，使各环带焦点重合，就成为一个表面成阶梯状的透镜， 即阶梯透镜。一面为环状阶梯面，另一面为平面的称平面型阶梯透镜； 一面为球心位于光轴上的球面，一面为阶梯面的称弧面型阶梯透镜。环带宽小于 1 毫米的密纹阶梯镜又称作螺纹透镜，常用作书写投影仪的聚光镜、照相机的取景镜和电视放大镜，也可用作各类照明灯具中的大孔径聚光镜。阶梯透镜一般用塑料或有机玻璃，采用精密浇铸和热压工艺做成。具有重量轻、成本低的特点，可以大批量生产。

照相机、电视摄像机 照相机是利用胶片感光作用记录物体实像的光学仪器。主要由镜头、快门、暗箱等部分发组成。镜头又叫物镜，是照相机上最主要的光学部件。从物体射来的光线通过镜头后，在胶片上成一倒立实像。镜头一般由多片透镜组成，以消除各种像差。常见的镜头有标准镜头、长焦距镜长、广角镜头、变焦距镜头、微距镜头和鱼眼镜头等。不同的镜头其视角、焦距各不相同，用途也各不相同。最常用的是标准镜头，其视角一般在 40～55 度之间，焦距约等于所成照片的对角线长。用它拍出的照片，接近人的视觉所得影像。光圈是附在镜头上用以控制镜头有效通光孔径的装置，用全属薄片做成，可以自由开合。光圈开合的大小用光圈标度（也称 f 数或光圈数）来表示。国际通用的光圈标度为：2、2．8、4、5．6、8、11、16、22、32。数字越大、光圈口径越小，进光量越少。快门是用来控制曝光时间的装置。分叶片式和帘幕式两种。叶片式快门其结构与光圈类似。快门速度标记常见的有 1、2、4、8、15、30、60、125、250、500、1000 以及 B 等。分别指快门开启时间为 1，2／3、1／4、1／8⋯⋯秒。快门速度标记数字越大，快门开启时间越短。光圈与快门配合，能准确有效地控制曝光量。暗箱是摄影镜头与感光片借以联系的不透光箱体。它的主要作用是使镜头能够自由伸缩而不透任何非镜头折射光。分固定式、伸缩式和折合式三类。现代照相机除镜头、快门、暗箱这几个主要部分外还有输片装置和取景器等辅助装置。照相机的种类很多，常见的有 135 型照相机、120 型照相机、110 型照相机，即影照相机、技术照相机、电子照相机等。

电视摄像机是将光学图象信号转变成便于记录或传输的电视信号的

仪器。一般由光学系统、光电转换器件、预放器、图象信号处理系统、扫描系统、寻像器和电源等部分组成。光学系统主要包括镜头、色温转换滤光片和分色系统。摄像管是一种光电转换器件，可将进入的光信号转变为电信号。预放器是将摄像管输出的微弱电信号放大到一定幅度（约0.7V）后，再送到图象信号处理系统进行各种处理，以符合电视信号传输的要求。偏转聚焦系统的作用是使摄像管电子枪发出的电子按照规定方式对靶面进行扫描。由聚焦线圈和场偏转线圈组成，并与摄像管制成一体。寻像器是一个小屏幕监视器，供摄像人员取景、调焦和观察画面实际效果用。此外摄像机还有脉冲电路、各种调节电路和电源电路等。摄像机按颜色分有黑白彩色两种，彩色的又分单管彩色摄像机、双管彩色摄像机和三管彩色摄像机三种。三管彩色摄像机的彩色还原好、要求照度低、图象清晰，是较理想的摄像机。

幻灯机、电影放映机 幻灯机是利用透镜成像原理，将透明图片放大并成像于屏幕上的光学器具。主要由反光镜、光源、聚光镜、放映镜头等组成。由光源发出的光线，经聚光镜均匀地照射在幻灯片上，通过幻灯片后又聚集到放映镜头上，放映镜头使幻灯片在屏幕上成一放大倒立的实像。反光镜是装在光源后面的凹面镜，其作用是把光源向后发射的光线反射回来，以增强幻灯片投射到屏幕上的亮度。幻灯机的光源一般是 100～300W 卤钨灯，为延长灯泡使用寿命，还装有冷却风扇。聚光镜一般由两块平凸透镜组成，其大小比幻灯片画面略大。放映镜头分固定焦距和可变焦距两种。常用的是可变焦距放映镜头（又称活动放映镜头）。这种镜头由两部分组成：镜头后部为一正透镜组，可使影片画面形成初级影像；镜头前部的透镜组相当于一个可变倍数的望远镜，由两个凸透镜和一个凹透镜组成，改变透镜间的距离，可改变整个放映镜头的焦距，可以在同一屏幕上进行不同距离的放映。幻灯机的种类很多， 分类方法也不同，如按功能分有平动式、自动式、遥控式及声画同步式等多种。

电影放映机是把电影胶片上的各个画幅连贯而又等速地反映在银幕上的机器。电影放映机一般由输片、动力传动、光学、还音和电路五大系统组成。其工作原理如图。其中光学系统又可分为照明光学，放映光学和还音光学三大部分。照明部分主要包括放映灯泡、反光镜、聚光镜等。常用放映灯泡有弧光灯、氙灯、铟灯等。放映光学部分主要是放映镜头。它是使银幕获得明亮、清晰和放大影像的主要光学部件。一般是由数片性能不同的凸透镜和凹透镜嵌放在内壁涂有防漫反射光黑色涂料的金属圆筒电影放映机原理图内组成的。放映镜头分普通电影放映镜头和宽银幕放映镜头两大类。还声光学部分由激励灯和激励镜头组成。激励灯是发出光流去激励光电元件使之产生音频电流的光源，是激励镜头的光源。激励镜头由两片柱形平凸透镜排列在镜筒中组成。其主要作用是把激励灯射来的光聚集成一条细长的光刃，投射在移动的影片声带上，影片声带使透过它的光通量发生变化，再由光电元件使变化的光通量转化为变化的电流，将电流放大后通过扬声器还原为声音。电影放映机规格繁多，常用的有 70mm 固定式放映机、35mm 放映机、16mm 放映机、8mm 放映机等。

投影仪 常用的投影仪有书写投影仪、实物反射式投影仪和显微投

影仪等。

书写投影仪是一种能把在透明胶片上书写的文字和图象立即投射在屏幕上的光学器具。多用于课堂教学。其光路如图所示。在紧靠聚光镜L1 处有一块平板玻璃 P，上放透明胶片。在透明胶片上书写的文字通过透镜 L2 和反射镜 M2 在屏幕上成一放大实像。聚光镜常用有机玻璃螺纹透镜，其面积较大，便于书写和演示各种教学投影片。

显微投影仪是一种直射与反射相结合的投影仪。是在显微镜下面加一个光源箱，在显微镜头上加一反射镜而构成的。可将各种切片和微生物标本进行直接投影。也可用于显微镜的图象投影，可供多人观察研究。主要由光路、散热及电器等系统组成。

实物反射投影仪为卧式反射光学投影仪。能直接将教材、书刊、图表等印刷品的实物投影在屏幕上。由光源发出的光经隔热玻璃吸收大量的红外线后，投射到放在托板上的印刷品画面上，经反射后到达反光镜， 再由反光镜反射进物镜，最后在屏幕上形成比实物大 4～5 倍的像。这种投影仪的光源一般用发光效率很高的 D1000 镝灯。

眼睛 视觉器官。眼睛和照相机相似，一部分是光学成像系统，能够保证在视网膜上形成外界物体清晰的像；另一部分是与照相底片相似的感光层，即视网膜上的感光细胞及其外段的光敏色素。眼睛的构造如上图。

眼球近似于球体，内部的角膜、水样液、晶状体及玻璃体构成屈光系统，起到一个双凸透镜的作用。眼睛比照相机机构要复杂得多。除了有一套自动调节控制机制外还能把光携带的信息变成神经电信号并经过初步加工处理传到大脑。

眼睛有一套自动调节控制机制，即能使远处的物体成像在视网膜上，也能使近处的物体成像在视网膜上。其原因是晶状体本身是有弹性的，可以靠周围肌肉的运动改变它的表面的弯曲程度，从而改变其焦距。因此眼睛是一种精巧的变焦距系统。眼睛要看清一个物体，除了像要成在视网膜上以外，还需要成在视网膜上的像足够的明亮，这主要靠瞳孔的调节，瞳孔的大小是可以改变的，改变它就可以控制进入眼球的光线的多少，它的作用像照相机的光圈。另外眼睛要看清楚一个物体还要满足第三个条件，就是物体的两端对眼睛光心所张的视角要大于 1 分。当

物体对眼睛所张的视角小于 1 分的时候，在视网膜上所成的像就会落在同一个感光细胞上，整个物体看上去就会缩成了一点无从分辨。

物体上射出的光一部分进入眼睛在视网膜上成一实像，我们就看清了物体。眼睛不仅能看清物体，而且还能看清物体通过光学系统所成的虚像，虚像是反射光线或折射光线的反向延长线形成的，但这些反射光线或折射光线进入眼睛后能在视网膜上成一实像如图。

人们眼球的焦距只有 1.5 厘米左右，所以观察的物体一般总在眼睛的两倍焦距以外，它在视网膜上所成的像是缩小倒立的实像，由于长时间的感受已养成习惯，脑神经能清楚地识别各种物体，不至有上下倒置、左右易位的感觉。

体视 视觉暂留 双眼同时观察同一景物时所产生的立体视觉效应，因为人的两眼之间有一定的距离，当用两眼看同一物体，物体在两个视网膜上所成的像有些差别，经大脑综合使人们对物体有一立体感

觉。这种效应的具体应用是立体照相和立体电影。

光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍保留一段时间的现象，是视觉暂留，其具体应用是电影的拍摄和放映。

近点 远点 明视距离 眼睛经过调节所能够看得清楚的最短距离。眼睛能够看得清楚的最远距离。眼睛比较习惯的物和眼的适当的距离，这时眼睛不容易感到疲劳，这个距离是眼睛的明视距离。对正常眼睛讲，这个距离大约为 25 厘米。

为了使物体成像在视网膜上，对于远近不同的物体需要用睫状肌来改变晶状体的位置和它的曲率来加以适应。当睫状肌放松时，晶状体曲率减小，眼睛的焦距增大，可使远处的物体成像在视网膜上，正常人眼睛的远点是无穷远。假使要看清楚近处的物体，就得收缩睫状肌，一方面使晶状体略向前移动，一方面使它的中央部分变厚，曲率增大于是眼睛的焦距减小。但是这种调节也有一定限度。如果物体离开眼睛的距离， 移近到某一个一定的数值以后，即使晶状体的曲率调节到最大也不能使物体的像成在视网膜上，这个距离就是近点。年青人的正常眼睛近点约在 10 厘米左右。

在这里应该指出，正常人眼睛的远点为无穷远，近点为 10 厘米左右是指在这样距离的物体，均能在视网膜上成一清晰的像。近视眼的远点为几十厘米说明几十厘米以外的物体在视网膜的像是模糊的，物体越远视网膜上的像越模糊，因此不要把看见物体和看清楚物体相混淆。当然看清楚物体的条件除了在视网膜上成清晰的像外，还应有一定的亮度、物体对眼睛所张的视角大于分的条件。

近视眼 一种远点为有限距离的非正常眼，这种眼睛的折光本领比正常的眼睛大些，或者角膜到视网膜的距离比正常的眼睛长些。晶状体在曲率最小的时候，也不能把平行光束会聚在视网膜上（而是聚在视网膜前），这种眼睛远点不是无限远，只适于看较近的物体，近点也比 10 厘米小，要使这种眼睛能够看清楚无限远的物体，必须把物体在视网膜前所成的像，移到视网膜上。矫正近视眼的方法是配带一副用凹透镜做的眼镜，利用这种透镜对于光束的发散作用可以使得物体所成的像远一点，刚好成在视网膜上。青少年多患近视眼，因此应该注意眼睛的保健。

远视眼 一种近点变远的非正常眼。这种眼睛的晶状体的折射本领比正常的眼睛小些，或者角膜到视网膜的距离比正常的眼睛短些，晶状体在曲率最小的时候，无限远处物体的像，成在视网膜的后面，要经过调节才能看清楚无限远处的物体；较近处物体的像成在视网膜的更后面一些，要看清楚物体晶状体需做更大的调节。矫正远视眼的方法是戴一副凸透镜做的眼镜。利用这种眼镜对光的会聚作用，使得物体所成的像移近一些，刚好成像在视网膜上。

眼镜 用来矫正视力缺陷或保护眼睛的简单光学仪器。近视镜是用凹透镜制成，远视镜和花镜是用凸透镜制成。矫正散光眼的方法是戴柱形透镜做的眼镜，配戴这些眼镜的目的在于把物点成像在有缺陷的眼睛的近点或远点，再由眼睛成像在视网膜上。

例如某人选配焦距为 50cm 的凸透镜，使视力正常，那么这个患者不戴眼镜时近点应是多少？正常人眼睛的近点是 10cm，配带眼镜的目的把10cm 处的物点成像到此视力不正常眼睛的近点，因此此眼镜物距为

10cm，焦距50cm。所求即为像距，应用公式 1 + 1 = 1 ，∴v = -12.5cm

u v f

因此，此有缺陷的眼睛是用一凸透镜，把 10cm 物点成像在 12.5cm 处， 有缺陷的眼睛再把 12．5cm 处的像成在视网膜上。

选配眼镜要测试出度数，为了搞清什么是度数，应先知道什么是透

镜的焦度，透镜焦度D定义为透镜焦距的倒数即D 1 f的单位是米，

＝ f ，

D 的单位是屈光度。1 屈光度＝100 度。透镜的焦距有正负，因此透镜焦度也有正负。比如有一学生只能看清 50 厘米远处的物体，说明远点是 50 厘米，正常人的远点是无穷远，所以此同学为近视眼，要使他像正常人一样，使无穷远的物体成像在视网膜上，应该配用凹透镜。使无穷远处物体成像在 50 厘米处，只有这样才能使物体清晰地成像在视网膜上。要

1 1 1 1

计算所配眼镜的度数，应先算出焦度D＝ f = u + v − 0.5 屈光度＝－2

屈光度＝－200 度。其中负号表示焦距为负值，焦点为虚焦点，是凹透镜。由此可知此学生应配带 200 度的近视镜。

眼镜还可对眼睛起到保护作用，如有防风沙的防风镜，防止太阳紫外线照射的太阳镜，以及各种劳动保护眼镜，为了美观或有些职业需要近年又出现了隐形眼镜。立体眼镜是在观看立体电影时戴上的由两块正交偏振片做成的眼镜。近日报载日本东海光学公司，最近制成高强度树脂眼镜片，这种镜片的强度很大。

棱镜 用透明材料制成的多面体，是重要的光学元件。光线入射出射的平面叫侧面，与侧面重直的平面叫主截面。根据主截面的形状可分成三棱镜、直角棱镜、五角棱镜等。三棱镜的主截面是三角形，有两个折射面，它们的夹角叫顶角顶，角所对的平面为底面。根据折射定律光线经过三棱镜，将两次向底面偏折，出射光线与入射光线的夹角θ叫做偏折角。其大小由棱镜介质的折射率 n 和入射角 i 决定。当 i 固定时， 不同波长的光有不同的偏折角，在可见光中偏折角最大的是紫光，最小的是红光。如图(1)。从物体射出的光线通过棱镜也会成像如图(2)。隔着棱镜观看物体，经过棱镜两次折射的光线进入眼睛，光线好像是从它们反向延长的交点 A′发出来的一样，A′点就是 A 点的虚像。图(2)是光线从空气（光疏媒质）射入玻璃棱镜（光密媒质）的情况。如果光线是从光密媒质射入光疏媒质的棱镜，情况就恰好相反。例如将一个空心的薄玻璃制成的棱镜（里面是空气）放在水里，这时候光线从水射入空心棱镜（空气），将会向顶角偏折如图(3)所示。隔着空心棱镜（在水里） 看物体的虚像偏向棱镜的底面。用反射棱镜可改变光路。光线从棱镜的一个折射面正入射（入射角是零度）当光线投射到斜面上的时候，入射角正好是 45°，大于玻璃的临界角（约 42°），所以就发生了全反射， 最后从另一个折射面垂直地射出去，使光路转过了 90°，利用两个这样的棱镜组成一个潜望镜如图(4)。还可利用棱镜把物体的像倒转过来如图(5)所示。

光的色散 复色光分解为单色光而形成光谱的现象。让一束白光射到玻璃棱镜上，光线经过棱镜折射以后就在另一侧面的白纸屏上形成一条彩色的光带，其颜色的排列是靠近棱镜顶角端是红色，靠近底边的一

端是紫色，中间依次是橙黄绿蓝靛，这样的光带叫光谱。光谱中每一种色光不能再分解出其他色光，称它为单色光。由单色光混合而成的光叫复色光。自然界中的太阳光、白炽电灯和日光灯发出的光都是复色光。光波都有一定的频率，光的颜色是由光波的频率决定的，在可见光

区域，红光频率最小，紫光的频率最大，各种频率的光在真空中传播的速度都相同，等于 c＝3×108 米/秒。但是不同频率的单色光，在煤质中传播时由于受到媒质的作用，传播速度都比在真空中的速度小，并且速度的大小互不相同。因为光传播速度的改变而发生折射，折射率 n＝

c ，在同种媒质中红光传播速度大，紫光的传播速度小，因此媒质对红

v

光的折射率小，对紫光的折率大。当不同色光以相同的入射角射到三棱镜上，红光发生的偏折最少，它在光谱中处在靠近顶角的一端。紫光的频率大，在媒质中的折射率大，在光谱中也就排列在最靠近棱镜底边的一端。

夏天雨后，在朝着太阳那一边的天空上，常常会出现彩色的圆弧， 这就是虹。形成虹的原因就是下雨以后，天上悬浮着很多极小的水滴， 太阳光沿着一定角度射入这些水滴发生了色散，朝着小水滴看过去就会出现彩色的虹，虹的颜色是红色在外紫色在内依次排列。

物体的颜色 物体在白光照射下所呈现的颜色。太阳光或电灯发出的光是由多种颜色的光融合起来的复色光。每一种色光都对应着一定的波长或频率。光的频率不同，人眼就得到不同色彩的感觉，所以颜色是不同波长或频率的光作用于人眼所引起的一种视觉反映。

不发光物体可分为透明体和不透明体两种，它们的颜色均决定于物体对光的选择性吸收和选择性反射，当白光照射到某种颜色的透明体上时，所能透过的主要是跟透明体同一种颜色的色光，其它色光都几乎被透明体所吸收。如果透明体允许各种色光都同样地透过它，那么这种透明体就是无色透明体，如玻璃、空气、清水等。而某种不透明体用白光投射到它的表面上时，物体所能反射的主要是跟物体表面同一种颜色的色光，其它频率的的色光几乎都被物体的表面所吸收，所以不透明体的颜色是由它所能反射出的色光来决定的。物体的表面如果能够把白光中所有色光几乎全部地吸收掉，这就是黑色的不透明体。如果能够把各种色光几乎全部地反射出来这是白色的不透明体。因此若用不含红色光的光源照射红色物体，此物体不是红色而是黑色了。这就是平时在商店里选购衣料，在室内看颜色比较满意而在太阳光下又不称心，其原因是大商店用日光灯照明，其光色不如太阳光全造成的。

一些物体特别是金属，它们对某些波长的光反射率大，而对其它波长的光反射率小，于是反射光就呈现反射率大的光的颜色。例如在白光的照射下纯铜的反射光是紫红色。但是大多数物体对各种波长的光的反射作用相同，因而呈现白色。如黑板的反光是白色。

单色光的混合与不同颜料的混合是不同的。比如黄颜料和蓝颜料混合得到绿色，原因是黄颜料除了主要反射黄色光以外，还可以反射一些和它邻近的橙光和绿光，而蓝颜料除了主要反射蓝光外，还会反射一些和它邻近的绿光和靛光，将其混合黄颜料吸收蓝光靛光，蓝颜料吸收橙光和黄光，唯一反射的只有绿光。这样画家们只用有限的几种颜料可以

调出千变万化的色彩来。

光谱 复色光经过色散系统分光后按波长的大小依次排列的图案。例如太阳光经过分光后形成按红橙黄绿蓝靛紫次序连续分布的彩色光谱。有关光谱的结构，发生机制，性质及其在科学研究、生产实践中的应用已经累积了很丰富的知识并且构成了一门很重要的学科——光谱学。光谱学的应用非常广泛，每种原子都有其独特的光谱，犹如人们的“指纹”一样各不相同。它们按一定规律形成若干光谱线系。原子光谱线系的性质与原子结构是紧密相联的，是研究原子结构的重要依据。应用光谱学的原理和实验方法可以进行光谱分析，每一种元素都有它特有的标识谱线，把某种物质所生成的明线光谱和已知元素的标识谱线进行比较就可以知道这些物质是由哪些元素组成的。利用光谱不仅能定性分析物质的化学成分，而且能确定元素含量的多少。光谱分析方法具有极高的灵敏度和准确度。在地质勘探中利用光谱分析就可以检验矿石里所含微量的贵重金属、稀有元素或放射性元素等。用光谱分析速度快，大大提高了工作效率。还可以用光谱分析研究天体的化学成分以及校定长度的标准原器等。

分光镜 将复色光分解为光谱并对其进行观察的仪器。其结构图为：管 A 叫做平行光管，在靠近棱镜 P 的那端有一个凸透镜 L1，管的另一端附有一个宽度可以调节狭缝 S，它的位置刚好落在透镜 L1 的焦平面上。光源发出的光通过 L1 折射后成为平行光束射到三棱镜上发生色散。红光偏折最小，紫光偏折最大。B 管叫望远镜，靠近棱镜的凸透镜 L2 是物镜，另一端的凸透镜是目镜 L3。从棱镜射来各种颜色的平行光束经过L2 会聚在焦平面 MN 上形成光谱。MN 在目镜的焦平面以内，因此从目镜可看到光谱的放大虚像。C 管叫标度管，它靠近棱镜的一端有一个凸透镜L4。在 L4 的焦平面处有一个玻璃刻度尺，用光源照亮这个标度尺，于是刻度尺上的标线会经 L4 的折射成为平行光束再经棱镜的一个折射面的反射进入望远镜筒 B 里，在焦平面 MN 处构成刻度尺的像，因此从目镜 L3 看到落在刻度尺背景上的光谱可以很方便地确定光谱的位置。

摄谱仪 将复色光分解为光谱并且能拍摄光谱照片的仪器，其部件与分光镜相同，即平行光管 A、望远镜 B 和标度管 C。区别仅在透镜 L2 的焦平面 MN 处置放底板，就能把光谱的照片拍摄下来供反复仔细地比较和研究。

发射光谱 处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射，将多余的能量发射出去形成的光谱。要使原子或分子处于较高能级就要供给它能量这叫激发。被激发的处于较高能级的原子、分子向低能级跃迁放出频率为 v 的光子。光子能量满足 hv=Ei-Ej，h 为普朗克常数， Ei、Ej 分别为高、低能级能量。在原子光谱的研究中多采用发射光谱， 例如氢原子处在正常状态时电子是在离校最近的 n=1 的可能轨道上运动，这时它的能量最少也比较稳定。当原子受到外界因素的激发时电子吸收一定的能量而跃入其他能量较高的可能轨道上去，这时电子不稳定。它能自发地跳跃到较低能级的可能轨道上并发出一个光子，从不同的能量较高的可能轨道上跳跃到同一能量较低的可能轨道上来时所发出

的谱线却属于同一线系，若电子从 3、4、5、6⋯⋯等可能轨道上跳跃到n=2 的可能轨道上时所发出的谱线却属于巴尔末线系。大量的处于激发态的氢原子会发出各不相同的谱线组成了氢原子光谱的全部谱线，由于产生的情况不同，发射光谱又可分为连续光谱和明线光谱。

连续光谱 光强度随频率变化呈连续分布的光谱。包含由红到紫各种色光在内的连续彩色光带。按量子力学的观点，原子、分子在两个能级间跃迁时产生光子的频率 v=E1-Ej/h，若 Ei、Ej 中任何一个（或两者） 的数值可连续变化，则 v 的数值也连续变化就会产生连续光谱。如氢原子光谱中每个线系趋于一个短波极限，波长短于这个极限就出现一个光谱的连续区，这个极限称线系限。如图为氢原子巴尔末线系的连续光谱区。它从 H7 即巴尔末线系的第七条线(n=7)开始。H∞表示线系限的理论位置。连续光谱是固体或液体在高温下所发出的光生成的，如弧光灯的炭粒发光，温度高达 4000℃。熔融的钢水发光温度也在 2000℃左右。光谱实验中为得到吸收光谱就要用连续光谱照射样品。可用氙灯和氘灯做为连续光源。同步加速器的电子产生的连续光谱辐射，从可见光区伸展到短波紫外区。

明线光谱 原子所发射的线状光谱是在黑暗的背景上只有一些不连续的明线。明线光谱是气体或蒸气在高温下所发出的光生成的。例如把盐类的粉末放在煤气灯或酒精灯的火焰中，盐类就在高温下分解，把这种火焰发出的光射到分光镜上，除了火焰本身生成微弱的连续光谱以外，还有金属蒸发以后得到的炽热蒸气所生成的明线光谱。观察气体的光谱可以用光谱管。如图，它是一支中间比较细的封闭的玻璃管，里面装低压气体，管的两端有两个电极，把两个电极接到高压电源上，当两个电极通过稀薄气体放电时，气体就发出一定颜色的光，用分光镜可以看到它的明线光谱。

每种元素都有它自己特有的明线光谱，条数、位置各不相同，称作元素的标识谱线，通过这些谱线可以识别各种元素。

吸收光谱 处于基态和低激发态的原子或分子吸收具有连续分布的某些波长的光而跃迁到各激发态，形成了按波长排列的暗线或暗带组成的光谱。

吸收光谱是温度很高的光源发出来的白光，通过温度较低的蒸汽或气体后产生的。例如让高温光源发出的白光，通过温度较低的钠的蒸汽就能生成钠的吸收光谱。这个光谱背景是明亮的连续光谱。而在钠的标识谱线的位置上出现了暗线。通过大量实验观察总结出一条规律，即每一种元素的吸收光谱里暗线的位置跟它们明线光谱的位置是互相重合的。也就是每种元素所发射的光的频率跟它所吸收的光频率是相同的。太阳光谱是一种吸收光谱，是因为太阳发出的光穿过温度比太阳本

身低得多的太阳大气层，而在这大气层里存在着从太阳里蒸发出来的许多元素的气体，太阳光穿过它们的时候跟这些元素的标识谱线相同的光都被这些气体吸收掉了。因此我们看到的太阳光谱是在连续光谱的背景上分布着许多条暗线。这些暗线是德国物理学家夫琅和费首先发现的称为夫琅和费线。

电磁波谱 电磁波的整个频率（或波长）范围，又称频谱。电磁波包括的范围很广，从无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线，X 射线

到γ射线都是电磁波。不同的电磁波产生的机理不同。无线电波是人工制造的，是振荡电路中自由电子的周期性的运动产生的。

红外线、可见光、紫外线；伦琴射线、γ射线分别是原子的外层电子、内层电子和原子核受激发后产生的。人们把电磁波按着频率或波长大小的顺序排列成图表称为电磁波谱。在电磁波谱中各种电磁波由于频率或波长不同而表现出不同的特征，如波长较长的无线电波很容易表现出于涉、衍射等现象，但对波长越来越短的可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线要观察到它们的干涉衍射现象就越来越困难。但是从电磁波谱中看到各种电磁波的范围已经衔接起来，并且发生了交错，因此它们本质上相同，服从共同的规律，如波的频率 f、波长λ与波速 v 之间有 v=λf， 所有电磁波都以光速 c=3×108 米/秒的速度传播，因而对电磁波有 c=λ f。频率高的电磁波的波长短，反之频率低的波长就长。

红外线 可见光红端与微波间的电磁波，其波长范围约在 7×10-7 米～1×10-3 米之间。1800 年英国物理学家谢赫耳将温度计放在日光光谱的红光区域外侧，发现仍然具有很强的热作用。于是把这种看不见的射线称为红外射线。一切物体都在向外辐射红外线。物体温度越高发射的红外线波段越宽。红外线产生的机理是原子的外层电子受到激发。红外线的最显著特点是其热作用，红外线的波长比红光长，因此衍射现象比较显著，容易穿过云雾烟尘不易被空气中的悬浮粒子吸收。

利用红外线的热作用来加热物体，如烘干油漆和谷物以及进行医疗等，利用对红外线敏感的底片可以进行远距离摄影和高空摄影，从卫星上用红外线对地面摄影可以清晰地看出地面上的物体并且不受白天和黑夜的限制。由于一切物体都在不停地向外辐射红外线，并且不同的物体辐射的红外线的波长和强度不同，因此应用红外线遥感技术可以在飞机或卫星上勘测地热寻找水源、气象预报等。在现代战争中利用红外夜视仪等夜视设备使对方目标历历在目。利用红外物理可以探测高温物体的红外辐射。现在红外传感器还用作反导弹的预警等。

紫外线 波长在可见光紫端到 X 射线间的电磁辐射，其波长范围400～500 纳米之间，不能引起人们的视觉。1801 年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光，因而发现了紫外线的存在。

自然界的主要紫外线光源是太阳。太阳光透过大气层时波长短于 290

×10-9 米的紫外线为大气层中的臭氧吸收掉。人工的紫外线光源有多种气体的电弧（如低压汞弧、高压汞弧），紫外线有化学作用能使照相底片感光，荧光作用强，日光灯、各种荧光灯和农业上用来诱杀害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物质发光的。紫外线还有生理作用，能杀菌、消毒、治疗皮肤病和软骨病等。紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应。

X 射线 1895 年德国物理学家伦琴发现高速度的电子流射到固体表面上，从这些固体表面就发出一种特殊的看不见的射线。开始不知其本质故称其为 X 射线。后来人们为了纪念伦琴，就把这种射线称为伦琴射线。

X 射线大约波长是 10-5～103 埃的电磁辐射。形成的机理是原子的内层电子受到激发后产生的。在电磁波谱中 X 射线的长波端与紫外线谱的

短波端重叠，短波端与γ射线谱重叠。由于伦琴射线不受电场或磁场的作用而偏转。因此可以断定它不是由带电质点形成的。

伦琴射线有极强的穿透能力，它能穿透许多对可见光不透明的物质，在医学上用它来检查病变和骨折的情况，在工业上用它来检查金属铸造品内部有否存在气泡以及其它不正常的情况。利用波长已知的伦琴射线在晶体上的衍射，可以研究这个晶体的结构。因为许多晶体的晶格常数与 X 射线的波长是同数量级，因此晶体很适合用以观察伦琴射线衍射。伦琴射线衍射是研究晶体微观结构和缺陷的重要实验方法。

伦琴射线管 产生伦琴射线的装置。如图管内抽成高真空，里面封闭着两个极。K 是射线管的阴极，它由螺旋钨丝制成（由外加电源加热）， 钨丝对面一极装有重金属（铂钨）靶，它就是伦琴射线管的阳极，把管的两极接到几万伏高压电源上，使管内产生强电场，炽热钨丝发出的电子受电场的作用，就以很高的速度射到阳极金属靶上，于是就有伦琴射线从靶面发射出来透到管外。

伦琴(1845.3.27～1923.2.10） 德国实验物理学家。生于德国的伦内普。伦琴一生在物理学许多领域中进行过实验研究工作。他的最大成就是发现并深入研究了伦琴射线。1895 年 11 月在研究阴极射线时他发现射线管附近的一个涂有铂氰化钡的荧光屏发出闪烁的微光。他一连几个星期工作在实验室里进行许多实验，以确定这种“放射作用”的各种性质。12 月 28 日《维尔茨堡物理学医学学会会刊》发表了他关于这一发现的第一篇报告。在报告中他将这种新射线命名为“X 射线”。后人为纪念他而改名为伦琴射线，伦琴射线一般是指原子的内层电子受到激发后产生的一种波长很短的电磁辐射，其波长大致介于紫外线和γ射线之间。 X 射线发现后导致一系列的重大发现。例如天然放射现象。人们把 X

射线的发现、电子的发现、放射性现象的发现称之为世纪之交的三大发现。这三大发现的根本意义在于引起物理学的彻底革命，导致现代物理学的诞生。为了表彰伦琴发现 X 射线的杰出贡献，瑞典皇家科学院于 1901 年 12 月将首次颁发的诺贝尔物理学奖授给了伦琴。

光的干涉 两束或两束以上的光波相遇时，在其相遇的区域里，光强分布产生稳定的强弱相间的现象。若在光波重叠的区域里放置一个观察屏，就能在屏上看到明暗相间的干涉图样。光的干涉现象表明光具有波动性。相遇的两束光必须满足一定条件才能产生干涉现象，这些条件称做相干条件。相干条件是：①频率相同；②相位相同或相位差恒定；

③振动方向相同；④振幅相差不大。前两个条件保证了干涉条纹的稳定， 后两个条件使条纹清晰。满足相干条件的光束称做相干光。能发出相干光的光源称做相干光源。普通光源（如白炽灯、蜡烛、太阳）发出的光不是相干光，必须用特殊的装置将一束光分成两束（或多束）再使它们相遇，才能产生干涉。菲涅耳双镜、杨氏双缝就都是这样的装置。肥皂膜和雨后马路上油层的彩色都是常见的光的干涉现象。激光器发出的激光，具有很好的相干性。利用激光光源，可以很方便地观察到光的干涉现象。

光的干涉现象在实际中有着广泛的应用。人们以光的干涉原理为基础，设计和制造了各种干涉仪和干涉装置，用以进行各种精密量度。例如用薄膜干涉原理可检测平面和曲面的光洁程度，其精度可达 1/120 微

米；可测量薄膜厚度和细丝的直径等。而各种干涉仪则可以进行大到天体直径，小到物质内部结构及光波波长等特殊量的精密测量。激光的出现，提供了高亮度、相干性好的单色光源，就更使这些测量提高到一个新的水平。干涉度量学就是专门研究这些问题的学科。

牛顿环 一种光的干涉图样。是牛顿在 1675 年首先观察到的。将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块玻璃平板上，用单色光照射透镜与玻璃板，就可以观察到一些明暗相间的同心圆环。圆环分布是中间疏、边缘密，圆心在接触点 O。从反射光看到的牛顿环中心是暗的，从透射光看到的牛顿环中心是明的。若用白光入射，将观察到彩色圆环。牛顿环是典型的等厚薄膜干涉。平凸透镜的凸球面和玻璃平板之间形成一个厚度均匀变化的圆尖劈形空气簿膜，当平行光垂直射向平凸透镜时，从尖劈形空气膜上、下表面反射的两束光相互叠加而产生干涉。同一半径的圆环处空气膜厚度相同，上、下表面反射光程差相同。因此使干涉图样呈圆环状。这种由同一厚度薄膜产生同一干涉条纹的干涉称作等厚干涉。

牛顿环装置常用来检验光学元件表面的准确度。如果改变凸透镜和平板玻璃间的压力，能使其间空气薄膜的厚度发生微小变化，条纹就会移动。用此原理可以精密地测定压力或长度的微小变化。

牛顿环是牛顿首先观察到的，但是由于牛顿持光的粒子说，他并不认为牛顿环是干涉的结果，他用微粒说解释了他的观测结果，但很不令人满意。直到 19 世纪初才由英国科学家杨氏用光的波动理论解释了牛顿环。

薄膜干涉 由薄膜上、下表面反射（或折射）光束相遇而产生的干涉。薄膜通常由厚度很小的透明介质形成。如肥皂泡膜、水面上的油膜、两片玻璃间所夹的空气膜、照相机镜头上所镀的介质膜等。比较简单的薄膜干涉有两种，一种称做等厚干涉，这是由平行光入射到厚度变化均匀、折射率均匀的薄膜上、下表面而形成的干涉条纹。薄膜厚度相同的地方形成同一条干涉条纹，故称等厚干涉。牛顿环和楔形平板干涉都属等厚干涉。另一种称做等倾干涉。当不同倾角的光入射到折射率均匀， 上、下表面平行的薄膜上时，同一倾角的光经上、下表面反射（或折射） 后相遇形成同一条干涉条纹，不同的干涉明纹或暗纹对应不同的倾角， 这种干涉称做等倾干涉。等倾干涉一般采用扩展光源，并通过透镜观察。

把两块干净的玻璃片紧紧压叠，两玻璃片间的空气层就形成薄膜。用水银灯或纳灯作为光源，就可以观察到薄膜干涉现象。如果玻璃内表面不很平，所夹空气层厚度不均匀，观察到的将是一些不规则的等厚干涉条纹，通常是一些不规则的同心环。若用很平的玻璃片（如显微镜的承物片）则会出现一些平行条纹。手指用力压紧玻璃片时，空气膜厚度变化，条纹也随之改变。根据这个道理，可以测定平面的平直度。测定的精度很高，甚至几分之一波长那么小的隆起或下陷都可以从条纹的弯曲上检测出来。若使两个很平的玻璃板间有一个很小的角度，就构成一个楔形空气薄膜，用已知波长的单色光入射产生的干涉条纹，可用来测

量很小的长度。计算公式为d =

λ

2nl

• L，式中d是被测的长度，L为劈

尖长度，λ为光在真空中的波长，n 是劈尖介质的折射率（空气劈尖折射

率可取 1)，l 为相邻明纹（或暗纹）间的距离。

杨氏实验 是英国科学家托马斯·杨于 1801 年所做(a)双缝干涉(b) 双缝干涉条纹的双光干涉实验。有双孔和双缝两种。杨氏双孔实验如图所示。由光源发出的光先通过一个小孔 S，再通过另一个不透明屏 A 上的两个相同的小孔 S1 和 S2 变成两束光，这两束光因为来自同一光源，因而是相干光，在它们重叠的区域里就会产生干涉。若在它们相遇的区域里放一个观察屏 P，就可以看到明暗相间的直条纹组。杨氏实验中相邻

两亮条纹的间隔△y = Dλ 。式中D为A、B两屏间的距离，d为S S 间的

d 1 2

的距离，λ是所用光波的波长。杨氏就用这个式子计算过光波的波长值。杨氏实验是确立光的波动说的关键性实验，具有重要的历史意义，

而且杨氏实验设备简单，现象明了，故经常被用来说明光的干涉概念。如果用激光光源，将激光束互接投射到双孔上，在屏幕上就可得到一组非常清晰的干涉条纹。

光的衍射 光在传播过程中绕过障碍物而偏离直线传播的现象。光的衍射也是光具有波动性的有力证明。

让点光源照射在一个可以改变大小的小圆孔上，当圆孔较大时，在孔后的屏上可以看到一个与圆孔一样大的光斑，这说明光是沿直线传播的。若逐渐将孔缩小，当孔的直径小到与光波的波长相当时，在屏上就出现了面积比圆孔大得多的衍射图样。这是一些以中心亮班为圆心的、明暗相间的同心圆环。如果点光源为白光，则屏上出现彩色圆环。衍射图样的出现说明这时光已不再沿直线传播，而是绕到了孔的外面。这种衍射叫圆孔衍射，如果用线光源照在狭缝上，可以观察到中间为亮条， 两边为明暗相间，逐渐变暗的条纹组。这种衍射叫单缝衍射。日常生活中也很容易观察到衍射现象。如通过手指间的细缝，或眯着眼看灯丝， 隔着纱手帕看光源时，都可以看到衍射图样。光波的波长越长，障碍物尺寸越小，衍射现象越显著。日晕和月晕是光线通过悬浮在高空的微粒时所产生的衍射现象。

干涉和衍射都是波叠加的结果，其图样也相似，都是光具有波动性的有力证明。

光栅 也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散（分解为光谱）的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝（刻线）的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的明条纹称做谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。

衍射光栅产生的光谱线的位置，可用式 d·sinθ=kλ表示。式中 d= 狭缝宽度 a+狭缝间距 b，称作光栅常数；θ为衍射角，λ是波长，k=0，

±1，±2⋯⋯是光谱级数。用此式可以计算光波波长。光栅产生的条纹具有强度大、条纹窄、彼此间隔宽的特点，有极好的分辨性能。因此利用光栅衍射可以精确地测定波长。衍射光栅的分辨本领 R＝λ/△λ=kN。其中 N 为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细，光栅分辨本领就越高。增大缝数 N 提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。

最早的光栅是 1821 年由德国科学客 J．夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为“光栅”。现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划而成的。光栅是光栅摄谱仪的核心组成部分，其种类很多。按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。反射光栅使用较为广泛；按其形状又分为平面光栅和凹面光栅。此外还有全息光栅、正交光栅、相平面衍射光栅截面示意图[实际装置中，f 比（a+b）大得多]光栅、炫耀光栅、阶梯光栅等。

菲涅耳 菲涅耳从 1814 年开始对光学的研究，在短暂的一生中，他在光学领域作出了卓越贡献，被誉为“物理光学的缔造者”。他先后设计和完成了许多实验，深入研究了光的干涉和衍射现象。他设计的菲涅耳双面镜和菲涅耳双棱镜实验，充分证实了干涉现象的存在。他还通过实验计算出红光的波长。菲涅耳用物理光学的干涉原理改造了惠更斯从纯几何角度提出的波前概念，充实和发展了惠更斯原理。经发展后的惠更斯原理被称为惠更斯-菲涅耳原理，是现在物理光学的基本原理。从这一原理出发，菲涅耳成功地解释了光的直线传播现象和光通过小圆孔、圆屏、直边、狭缝时的衍射现象，说明了光波波长极短对这些现象的意义。在通过实验研究衍射现象时，还用数学方法计算出圆孔衍射的条纹分布，提出了菲涅耳半波带法，解决了许多复杂的计算问题。他证实了光是横波，发现了圆偏振光和椭圆偏振光，建立了晶体光学的基础。由于菲涅耳的突出贡献，1818 年他获得了法国科学院举办的关于光的衍射现象最佳科研成果竞赛的优胜奖。1823 年他被选为法国科学院院士。1825 年被选为英国皇家学会会员。1827 年 7 月 14 日病逝。

光电效应 金属及其化合物在辐照下发射电子的现象。1887 年德国物理学家赫兹首先发现用紫外线照射金属时能使金属发射带电粒子。在汤姆孙发现电子以后勒纳于 1900 年通过对带电粒子的荷质比的测定，证明金属所发射的是电子。

人们用如图所示装置研究了光电效应。图中 S 为一个抽成真空的玻璃容器，阴极 K 为一块金属或金属氧化物平板，A 为阳极，C 为一石英

时，检流计显示有电流通过。可是用光照阳极 A 时却没有电流通过，说明光照射金属板时，使某些电子从金属表面逸出，这些由于光照从金属表面逸出的电子叫光电子。光电子的定向运动所形成的电流叫光电流。

光电效应规律 总结实验结果得出光电效应的特点。1．饱和光电流和入射光的强度成正比。以一定强度的光照射阴极 K

时，光电流随两极间的电势差的大小而变化，其光电流 I 随两极间的电势差 U 变化的曲线如图，BC 段表明光电流 I 随电势差 U 增大而增大，CE 段表明当 U 增大到某一数值时，因阴极 K 上释放出的电子全部飞到阳极 A 上，光电流达到饱和值不再增加。此时的光电流 IH 叫做饱和光电流，此曲线叫做光电效应的伏-安特性曲线。实验的结果是：两极的电势差不变时，增大光的强度光电流也随着增大。饱和光电流值也增大说明从电极 K 逸出的电子总数增加，并可定量证明饱和光电流和入射光的强度成正比。光电效应的伏安特性曲线

1. 光电子的最大初动能和入射光频率有关而与入射光强度无关。当电势差 U 为负值时，即将阴极 K 与电源正极相连，阳极 A 与电源负极相

连，此时光电流并不降为零。若增大此负电压就可达到一个使光电流降为零的电压值 U0，这个 U0 叫阻挡电压，由功能原理可得到

e|U 0

|= 1 mv

2 m

²，式中e表示电子的电量，测出| U |值后计算出光电子

的最大初动能，实验结果是改变入射光的强度，不能改变光电子的最大初动能，光电子的最大初动能随着光的频率的增大而增大。

1. 光电效应的瞬时性，从实验知道产生光电流的过程非常快，一般不超过 10-9 秒。停止用光照射，光电流也立即停止。

2. 光电效应发生的条件决定于入射光的频率，实验表明对于任何一种金属，入射光的频率必须大于某一极限频率才能产生光电效应，低于这个极限频率的光无论强度如何，照射时间多久也不能产生光电效应。这个极限频率 v0 叫做截止频率或称为红限。如金属纳的 v0 为 4.39× 1014Hz，铂的 v0 为 1.529×1015Hz 等。

光电效应方程 爱因斯坦建立的用以描述光电效应中光子和光电子能量相互关系的方程。他认为物质的原子和分子所发射的光不是连续的，只能一份一份地进行，每一份光叫做一个光子。光子的能量具有确定的值，其大小等于 hv。式中 h 为普朗克常数，v 是光的频率，光的频率越高光子的能量越大。

光电效应是由于金属中的自由电子吸收了光子的能量从金属中逸出而发生的。一个光子的能量一次就被金属中的一个电子全部吸收，不需累积能量的时间，因此光电效应具有瞬时性。光子的能量被电子吸收后， 一部分消耗于这个光电子从金属表面逸出时所需要的逸出功 A，另一部

分转换为电子的初动能 1 mv²，根据能量守恒hv = 1 mv² ＋A，此式叫

2 2

做爱因斯坦光电效应方程。它说明光子的能量 hv 必须大于 A 才能使电子逸出并获得初动能，光电效应才能发生，所以能够产生光电效应的入射光具有一定的极限频率，对一定频率的光，光子数目越多光的强度越大。所以光的强度只表明光子数目的多少。光强再大若没有足够高的频率， 仍然不足以产生光电效应。在能够产生光电效应时光强增大才能使逸出的光电子增多，光电流的饱和值增大。

光电效应的应用利用光电效应可以制成各种光电转换器件，最简单的为真空光电管。图中 K 为涂有碱金属的阴极，A 为阳极，用光照射 K， 电路里产生电流，电流的强度取决于入射光的强度，为了增加光电管的灵敏度，可以在玻璃泡中充入某种低压惰性气体，制成充气光电管。这种光电管中的光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞，使气体电离从而增大了光电流。用光电管制成的光控继电器用于自动控制，另外在放映电影时利用光电转换来实现声音的重放等。

当半导体受到光辐照时，自由载流子（自由电子与空穴）增多，电导变大，这种光电效应称为内光电效应，利用内光电效应可以制成光敏电阻，也可以制成光电池。在新兴的光纤通信技术中，光电管也是不可缺少的器件。

爱因斯坦(1879.3.14～1955.4.18） 20 世纪最伟大的自然科学家、物理学革命的旗手。爱因斯坦在物理学的许多领域中都有重大贡献， 他的主要成就是 1905 年提出了光量子理论，该理论假设，光的能量在空

间中不是连续分布，导出了光子能量和频率的关系。认为光束能量的传播吸收产生过程中都具有量子性。从而圆满地解释了光电效应，首次揭示了微观客体最本质的特征是波粒二象性。爱因斯坦因此获得了 1921 年的诺贝尔物理奖。1905 年解决液体中悬浮粒子运动的理论问题，提出测定分子真实大小的新方法。这一理论 3 年后为实验所证实，平息了历时半个世纪的关于原子存在的激烈争论。1905 年创建狭义相对论，该理论揭示了空间和时间、物质和运动的统一性。建立了一个既适用于宏观、低速，又适用于微观、高速的运动理论，并由此发现质量和能量的相当性，为原子能的利用奠定了理论基础。1906 年爱因斯坦把量子概念推广到物体内部振动自由度，解释低温条件下固体的比热容同温度的关系。1906 年提出受激辐射理论为 60 年代出现的激光技术准备了理论基础。

1915 年建立了广义相对论。这也是物理学划时代的贡献。该理论进一步揭示了四维空间同物质的关系。指出空间时间不可能离开物质而独立存在，他还提出了广义相对论的实验验证。如水星轨道的近日点进动、光线在引力场中的偏折、引力红移等。1916 年爱因斯坦预言了引力波的存在。1919 年日全蚀时英国天文学家观察到了星光经过太阳附近发生的偏折，从而证实了广义相对论的预言。在广义相对论建立后，爱因斯坦又着手建立统一场论，要把当时已知的电磁相互作用和引力相互作用统一为一种相互作用，他虽然没有获得成功，但为物理学未来的发展提供了一个大有希望的前景。

普朗克(1858.4.23～1947.10.4) 近代德国物理学家、量子论的奠基人。他的主要成就是：1900 年为了克服经典物理学在解释黑体辐射现象时所存在的困难，提出了量子假说。所谓“黑体”是指能全部吸收外来电磁辐射的理想物体，黑体在发射电磁辐射的能力方面也比同温度下任何其他物体要强。量子假说提出：振子能量永远为 hv 整数倍，其中 v 为辐射频率，h 为新的物理恒量，被后人通称为普朗克恒量。他还从理论上进行了论证提出了辐射系统一线性振子一辐射场之间能量不连续的量子交换的概念。1906 年他又证明了普朗克恒量作为作用量子的重要意义，从而建立了量子论的基础。量子论的诞生是科学发展史上的一个重大事件。爱因斯坦接收并补充了这一理论，以此丰富和发展了自己的相对论。丹麦物理学家玻尔也曾使用这一理论来解释一些原子结构的辐射现象，建立了原子结构的玻尔模型。普朗克的基本量子理论第一次把能量的不连续性引入人对自然过程的更进一步的认识，给科学提供了一把钥匙，用它可以打开原子内部宇宙的大门。普朗克的这一发现获得了 1918 年的诺贝尔物理学奖金。他的这些发现是在极其困难的条件下研究出来的。当时他的家庭相继发生了许多不幸事件，他的妻子、儿子和女儿相继去世，但这些不幸遭遇和打击并没有动摇普朗克献身于科学的决心， 他用加倍努力工作来抑制自己感情的悲痛，为科学立下了奇功。1918 年被选为英国皇家学会会员。1930～1937 年他担任德皇威廉大帝科学研究会会长，这是当时德国最高的学术职位之一。1944 年普朗克在柏林的住宅遭空袭时他的手稿和藏书以及他同许多科学家的往来信件同时被毁， 这是科学界的重大损失。1947 年 10 月 4 日在格丁根逝世。

激光 基于受激辐射放大原理而产生的一种相干光。设某粒子（原子、分子或离子等）系统的一对能级中，低能级 E1，高能级 E2，若入射

光子的能量 hv=E2-E1。v 为入射光子的频率，则光子与粒子的相互作用有三种性质不同的基本过程。自发辐射，受激辐射和吸收过程。当原子不受外界影响，处于高能级的电子会自发地跳向低能级，即电子从高能级向低能级跃迁，同时放出光子，其能量 hv=E2-E1。这种发光过程叫自发辐射。由于光源中的发光物质包含大量的原子，因此自发辐射发出的光彼此独立。当原子中处于高能级 E2 上的电子在能量为 hv=E2-E1 的光子的激发下跃迁到低能级 E1 而发光，这种发光叫受激辐射。受激辐射产生的光子与外来光子的频率、相位、振动方向和传播方向完全相同。当一个光子激发得到另一个相同的光子时，如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射，又能得到特征完全相同的更多光子，这个现象叫光的放大， 这就是激光形成的原理。如果能量为 hv=E2-E1 的光子与处于低能级 E1 的原子接近时，光子就可能被原子所吸收而使从低能级 E1 激发到高能级 E2 上去，这就是光的吸收。光的吸收使光子数减少。为了使入射光得到净放大，需使受激辐射超过吸收作用，就要实现粒子数反转，即使处在高能级上的原子数比处在低能级上的原子数多，因此产生激光必须选择能实现粒子数反转的物质，这种物质的原子能级除低能级的基态、高能级的激发态，还存在高能级的亚稳态能级，粒子处在亚稳态能级的时间较长。如果外界强光不断激励使亚稳态 E2 上的粒子不断累积，于是在亚稳态与基态之间形成了粒子数反转，为了使受激辐射加强抑制自发辐射， 激光器中有光学谐振腔，因此激光器都有三个基本组成部分：工作物质， 它是激光器的核心，激励系统，它将外界能量转换成激光光能，光学共振腔形成光振荡并放出激光。

激光的应用 激光具有一系列与普通光不同的优异特性。1．高亮度性：太阳表面的亮度已经很高，发光亮度的数量级为 103。但激光器的输出亮度为 1010～1017 数量级，这种亮度意味着能量的高度集中。2．高方向性：激光光束的发散角只有探照灯的 1/1000。3．高单色性：由激光器发射出的激光辐射能量，通常只集中在十分窄的频率范围内，因此具有很高的单色性，单色光是一把光学尺子，用氦氖激光器测量数十米的长度，其误差仅在 10-7 米以内。4．高相干性：普通光源的发光过程是自发辐射发出的光不是相干光，激光器的发光过程是受激辐射发出的光子，振动频率、方向、位相都相同，由于激光的特点因此被广泛地应用。

在工业方面由于激光的高亮度、高方向性，因此可在透镜焦点附近产生几千度、几万度的高温，因此在打孔、焊接、切割划片等方面均有应用，并可用激光进行精密测量。在农业上用激光选择培育良种，研究病虫害的发生发展规律和防治方法。在医学领域一种新型的以激光为基础的医疗和诊断手段得到迅速发展，激光治疗的方式包括辐照、烧灼、汽化、焊接、光刀切割以及光针灸等。激光通信是把声音、图象或其他信息调制到激光载波上发送出去。激光通信的优点是传送信息容量大、通信距离远、保密性高以及抗干扰性强。激光通信可分为地面大气通信、宇宙空间通信和光学纤维通信等几大类，激光投射跟踪系统是激光在军事上的重要应用，利用这一系统可以使激光导向炸弹准确击中目标，当载有激光导向的飞机飞临目标时，飞行员发现目标只需按一下电钮，这时经过适当扩束的激光就立刻投向目标，其反射光马上被飞机上的光电

设备接收到。利用激光器可以实现自动瞄准，从而使飞机扔出去的激光导向炸弹根据探测到的反射光调整方向使炸弹朝激光束所指的方向飞去。

光的微粒说 关于光的本性的一种早期学说。在 17 世纪末期，牛顿提出了光的微粒学说，他认为光是一种具有完全弹性的球形微粒，大量地聚集组成的。这些微粒以高速度作直线运动，并且只有在媒质发生变更时才会有速度的变化，速度的变化则用媒质对微粒的作用力来解释，牛顿从这种论据出发说明了光的直进现象、反射定律和折射定律。然而微粒说无法解释一束光射到两种媒质分界面处会同时发生反射和折射以及几束光交叉相遇时会毫无妨碍地互相穿过等现象。但由于牛顿在学术界有很高的声望致使微粒说在 100 多年的长时间里一直占着主导地

位，直到 19 世纪初人们观察了光的干涉、衍射等现象，并测定了光速从而说明了牛顿微粒说是不正确的。在这里应说明牛顿的微粒和近代的“光的两重性学说”中的微粒有着本质区别。

光的波动说 关于光的本性的一种早期学说。荷兰物理学家惠更斯创立了波动说。他在 1690 年于《光论》一书中写道“光同声一样是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点都可视为次波的振动中心。次波的包络面为传播着的波的波阵面（波前）。惠更斯的学说说明了光在相同媒质或不同某质中的传播的方向问题以及与此相关的反射和折射定律。但没有对光的波长、周期性等与波动有密切联系的概念加以解释，直到 19 世纪初惠更斯的原理得到了补充。1801 年英国物理学家托马斯·杨巧妙而简单地解决了相干光源的问题。成功地观察到了光的干涉现象，为波动说取得公认和迅速发展奠定了基础。德国工程师菲涅耳以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了惠更斯-菲涅耳原理。用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。在进一步的研究中观察到了光的偏振和偏振光的干涉。19 世纪中叶光速的测定证明，光密媒质中的光速小于光疏媒质中的光速，进一步证实波动说的正确。19 世纪 60 年代麦克斯韦的光的电磁理论使光的波动说发展到一个新的阶段。

在此处应清楚平常两只电灯的光相遇看不见干涉现象不是因为光的频率太高，干涉图样太细小看不清楚，而是因为两只电灯属非相干光源。还应分辨马路上汽油膜呈现彩色；把两块平板玻璃板用手紧紧地捏在一起，会从玻璃板上面看见彩色条纹的属于干涉现象，而从平行于日光灯狭缝看日光灯会看到平行于日光灯的彩色条纹主要是衍射现象。而雨后天空有美丽的长虹是由于色散。

光的电磁理论 说明光在本质上是电磁波的理论。是英国物理学家麦克斯韦提出的。

惠更斯的波动说揭露了光的波动性，成功地解释了光的干涉、衍射和偏振等许多光的现象，可是解释光是什么样的波动过程问题时，却错误地认为光是某种弹性媒质中传播的机械波，但光的速度极大而且在真空中也能传播，因此使波动说遇到困难。

19 世纪 60 年代麦克斯韦在研究电磁场理论时预言，电磁场向外传播形成电磁波，电磁波是横波，其传播速度和光速相同。并且推导出介质

折射率n = c =

v

εμ。其中c为光在真空中的速度，v为光在介电常数为ε

磁导率为μ的介质中的速度。麦克斯韦认为光是一种波长很短的电磁波而不是在弹性介质中传播的机械波。1888 年赫兹用实验证实了电磁波的存在，后来人们又作了许多实验证明电磁波和光波一样也能产生干涉、衍射和偏振等现象。这相当于从实验上证明了电磁波的存在。光的电磁说虽然取得了很大成功，但仍然只是部分地反映了物质世界的客观实际。

光子说 1905 年为解释光电效应爱因斯坦提出的假设。按着经典的电磁理论光波的能量是连续的，因此光电子获得的能量的大小应该与光的强度、光照的时间的长短有关而与光的频率无关，但这与实验事实相反。为此爱因斯坦推广了普朗克关于黑体辐射的量子理论，提出了光的量子论。他认为光束是一粒一粒的光子组成，每个光子具有能量 hv，当频率一定时光子愈多光强越大。在真空中有恒定的传播速度即光速 c，根据爱因斯坦的狭义相对论光子的静止质量为零，所以静止的光子是不

存在的，其动量p = mc = hv ，p = h

。λ为光波的波长，h为普朗克常

c λ

数。

光子具有能量、动量和质量，说明光子本身就是一种物质。但是光子在真空或空气中永远以光速 c 运动着，不能处于静止状态。

光的波粒二象性 指光具有波动和微粒的二重性质。光的干涉、衍射等现象和光的电磁波理论证实了光具有波动性，而光电效应、康普顿效应等证实了光具有粒子性。因此光具有波粒二象性。在爱因斯坦的光的假设中已初步引用了这种统一的概念，光子能量的公式 E=hv，动量

的公式p =

h 。v、λ分别代表光的频率和波长，表明光子的能量和动量λ

已经通过普朗克常数与描述光波的物理量 v、λ联系在一起，由此可见光既是粒子又是波。二象性是光的客观属性。事实上光波不是通常所理解的连续的波动（经典电磁波理论）而是类似于波的规律，表明大量光子运动规律的一种几率波，实验结果是在光的实验中如果照射光的强度很大，照相底片上立即出现干涉图样，如果减弱光流使光子一个一个地通过狭缝，照相底片上只出现了一些无规则分布的点子，表现出光的粒子性，单个粒子的运动无一定的轨道，如果曝光时间长照相底片上又出现干涉图象。在强光的照射下曝光时间短形成的干涉图象中某些地方光波的强度大，表明这些地方到达的光子稠密些，在弱光的照射下曝光时间长形成的干涉图象中某些地方光波的强度大，表明这些地方到达的光子频繁，因此干涉图象中某点光波强度的大小跟光子到达该点的几率成正比。一般说来大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性，在电磁波谱中无线电波的频率低，“光子”的能量很低，波长较长，因此容易观察到波动性，但随着频率的增高能量增大波长减少波动性越来越不显著，粒子性越来明显了。

由此可见，大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性。光在传播过程中往往显示出波动性，而在与物质相互作用时往往显示出粒子性。但这不意味着在显示出一种属性

时，另一种属性没有了。事实上当人们观察光电效应时光子的角分布与入射光的偏振方向是有关的。光的这种微观粒子性和波动性与宏观世界里的粒子和波动有质的区别。因此人们不能用简单的图象来表示光的二象性。但是可以建立起一套理论，同时概括光的电磁理论和光的量子理论，这个理论叫量子电动力学。

原子 构成元素的最小单元。是物质结构的一个层次。原子一词来自希腊文，“意思是不可分割的”。公元前 4 世纪，古希腊物理学家德谟克利特提出这一概念，并把它当作物质的最小单元，但是差不多同时代的亚里士多德等人却反对这种物质的原子观，他们认为物质是连续的，这种观点在中世纪占优势，但随着科学的进步和实验技术的发展， 物质的原子观在 16 世纪之后又为人们所接受，著名学者伽利略、笛卡儿、牛顿等人都支持这种观点。著名的俄国化学家门捷列夫所发现的周期律指出各种化学元素的原子间相互关联的性质是建立原子结构理论时的一个指导原则。从近代物理观点看，原子只不过是物质结构的一个层次， 这个层次介于分子和原子核之间。汤姆生的原子模型英国物理学家 J.J. 汤姆生于 1907 年提出的一种原子模型。汤姆生在发现电子之后，对原子中正、负电荷如何分布的问题提出了他自己的原子模型，汤姆生认为： 原子中的正、负电荷均匀地分布在整个原子球体内，而正电荷则嵌在其中，所以有人将汤姆生模型类比为“西瓜模型”。为了解释元素周期表， 汤姆生还假设电子分布在一个个环上，第一只环只可放 5 个电子，第二

只环上放 10 个电子，假如一个原子有 70 个电子，那么必须有 6 只同心环。汤姆生模型虽然能够解释元素的周期性，但以后的实验证明，此模型是错误的，不过它包含的同心环以及环上只能安置有限个电子的概念有益于后来的玻尔理论的发展。

a 粒子散射实验 1909 年英国物理学家卢瑟福及其助手所做的用 a 粒子轰击金属箔的实验，是原子物理早期的实验之一。a 粒子实际上是氦核，带两个正电荷，用镭作为放射源放出 a 射线去轰击靶原子时，与靶原子发生相互作用并引起可以观察到的散射理象。实验安排由镭 C 放出 a 粒子，经过小孔准直形成一束狭窄的均匀的 a 射线射向金属箔，a 粒子将受到金属箔中的原子的不同影响沿着不同的方向散射，通过置于金属箔后面可旋转荧光屏和放大镜可观察到散射的 a 粒子轰击荧光屏时产生的闪光，并把单位时间内在某一方向上（θ角）散射的 a 粒子记录下来， 研究 a 束经金属箔散射后，按不同的散射角分布的情况。盖革和马斯敦在 1909 年按上述实验，观察到大多数 a 粒子经过金箔散射后偏转角度不大，但有少数 a 粒子的偏转角度却很大，约有 1/8000 的 a 粒子的散射角度超过 90°，有的几乎达 180°，按照汤姆生模型的假设，正电荷均匀分布在原子球体中，带电粒子打进球心时，它受到的库仑力与球的半径 r 成正比，越往中心受到的力越小，故较易穿过球心，按汤姆生的模型作理论计算表明：a 粒子要产生大于 90°的偏转的几率是 10-3500，这是一个无穷小量，而盖革马斯敦得到的实验值为 1/8000，由此判断汤姆生模型是错误的。

原子的核式结构 又称行星模型，或卢瑟福模型。由卢瑟福于 1911 年在 a 粒子散射实验的基础上提出来的。

根据 a 粒子的库仑散射实验，卢瑟福认为：原子内部的正电荷联系

着大的质量而集中在很小的中心体积内（就是原子核），而负电荷则分布在与原子大小同数量级的封闭轨道上并绕着核旋转，对于中性原子， 所有电子所带的负电荷之和等于原子中心的正电荷。原子的核式结构及 a 粒子散射的情形如图所示。严谨的理论推导可得 a 粒子的散射服从公式b = a ctg θ

2 2

Z Z e²

式中，b是a粒子的瞄准距离，a是散射因子，a = ^{1 2} ，Z 、Z

分别是

E 1 2

分别是带电粒子和原子的正电荷数，E 是带电粒子的能量，此式能很好地解 a 粒子的大角度散射，当 a 粒子的能量 E=768MeV，b=10-12cm，一个 a 粒子被金原子核的散射角度为 112°。在实验上测量瞄准距离是不可能的，卢瑟福经过严谨的推导得到著名的卢瑟福公式

σ(θ) = a

2

₂ 1

sin⁴ θ

2

式中σ（θ）是散射截面，即 a 粒子散射到θ～dθ之间时，在 dΩ立体角之内每个原子的有效散射截面。用卢瑟福公式计算 N 个 a 粒子打在金箔上时，在 dΩ立体角内测到的 a 粒子的数目被盖革与马斯敦在 1913 年用 a 粒子散射实验测量的数据所证实。由卢瑟福公式还可知道原子核的半径在 10-12～10-13cm 量级。

玻尔的原子理论 丹麦物理学家玻尔于 1913 年提出的关于原子结构的初步理论。

卢瑟福模型与经典电动力学相矛盾，因为绕原子核运动的电子有加速度，它会自动辐射能量，使电子的能量愈来愈小，这样会使电子逐渐接近原子核，最后与核相撞，其次按经典电动力学理论，电子放出辐射时其频率等于电子围绕核运动的频率，由于电子能量逐渐减少，故辐射的频率也逐渐改变，所以原子发射的光谱应是连续谱，但事实上，原子是十分稳定的，并且原子光谱是不连续的线光谱，这说明由宏观现象总结的经典理论不能应用于原子内的微观过程，玻尔将普朗克的量子论推广到原子内，玻尔假设：

①原子只能存在一些不连续的稳定状态，这些不稳定的状态各有一定的能量 E1、E2⋯⋯。绕原子核作圆周运动（经典轨道）的电子只能处于一些分立的轨道上，它只在轨道上绕核转动而不产生电磁辐射，一切能量的改变，是由于吸收或放出辐射或因碰撞的结果，只能从一个稳定态过渡到另一个稳定态的跃迁来产生，不能任意连续改变。

②当一个电子从一个定态轨道跃迁到另一定态轨道时，会以电磁波的形式放出（或吸收）能量 hv，其值由下式决定

hv=En′-En

式中 h 是普朗克常数，v 是电磁波的频率，En″和 En 是两个定态轨道的能级。

③原子的不同能量状态和电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应，

原子各定态的能量是不连续的，只有满足下列条件的轨道才是可能的轨道，即轨道半径 r 与电子动量 p 的乘积等于 h/2π的整数倍：

pr=nh/2π(n=1，2，3⋯⋯) 式中 n 是正整数，叫做量子数。

原子的半径 我们可以作一个简单的估算，1 摩尔的原子数目是

阿伏伽法罗常数NA

，设若原子的半径为r，原子为球体，则体积为 4 πr ³

3

，1 摩尔原子的某物质的原子量为 A，其密度为ρ，那么 1 摩尔原子的

某物质的总体积为A / ρ，而1摩尔原子的总体积又可表示为 4 πr ³N ，

3 A

故有：

4 πr N = A

3 3 A ρ

r =

由上式可计算各元素的原子半径，几种元素的原子半径见表 1。

表 1 几种原子的半径

其中 ο -8

1A （埃） = 10 cm。从上表看出，不同原子的半径都差不

多，这是经典物理无法回答的。

原子的定态 基态 激发态 原子和原子核等微观粒子体系所可能具有的各种稳定状态叫定态。稳定状态是指微观粒子体系在没有外界作用时的状态和能量不随时间而变的状态。处于定态的微观粒子具有确定的能量。微观粒子在其最低能量轨道上运行时称为基态，又称正常态， 也就是说原子在未接受能量时的原有正常状态。要严格回答不同状态的能量数值必须依靠量子力学计算才能知道原子的基态。不过用洪特定则和朗德间隔定则也能确定某种原子的基态，例如氧的基态为 3P2，

氢的基态为2S 1 ，而氦的基态为1S等。微观粒子受到撞击、照射和其

2

它的扰动或激动而吸收能量，内部一个或几个轨道电子跃迁到一较高能量状态时，称为激发态或受激态，也即原子所具有的能量高于基态者， 称为激发态。

原子的能级 原子中的电子只能处于一系列不连续的分立的定态，这些定态分别具有一定的能量。在氢原子中，电子在各定态上的能量（包括动能和势能）为

2π²Z²e⁴m

E = − ^e (n = 1,2,3 )

n h 2 n2

式中 Z 是核电荷数，对氢 Z=1，e 和 me 分别是电子的电量和质量，h 是普

朗克常数，以电子被电离时的电势能为零，故氢原子的能量取负值，上式中 n 取每一个正数，则对应一个能级，n 是量子数，n 愈大，能级愈密。在正常状态下，原子处于基态，即 n=1，n=2，3，4 时称为激

发态。将电子从基态激发到脱离原子叫做电离（n→∞），此时所需的能量叫做电离势能，例如氢原子中基态的能量为－13．6eV，使电子电离的电离势能即是 13．6eV。

量子数 表征微观粒子运动状态的一些特定数定。量子化的概念最初是由普朗克引入的，即电磁辐射的能量和物体吸收的辐射能量只能是量子化的，是某一最小能量值ε0 的整数倍，这个整数 n 称为量子数。事实上不仅原子的能量还有它的动量、电子的运行轨道、电子的自旋方向都是量子化的，即是说电子的动量、运动轨道的分布和自旋方向都是不连续的，此外我们将看到不伦电子还有其它基本粒子的能量、运动轨道分布、磁矩等都是量子化的。

电子云 描述原子或分子中电子的概率密度在核外空间中分布的图象。原子由原子核和核外壳层电子组成，原子的质量集中于原子核的极小体积中，我们知道原子的半径为10-8cm 数量级，而原子核半径为10-13cm 数量级，因此原子的壳层电子可在一个相当广阔的空间绕核运动，原子核带有 Z 个正电荷，那么有 Z 个电子绕核运动，形成电子云，从量子力学观点看，由玻尔或索末菲用旧量子论假设的壳层龟子运行的经典轨道只不过是电子在这些地方出现的几率较大而已，因此电子云是一种几率云，它们“模糊”地笼罩在原子核周围并“被弥散”在整个原子空间， 成为云状。在电子的振动图案中，对应于一种振动的能量空间的每一点上的几率密度，代表电子在该点的或然率，在距离原子很远的地方，几率密度为零，这意味着非常不可能在那里找到电子，在非常邻近核的区域，电子出现的几率也为零，则说明电子无法到达此区域。

原子光谱 原子或离子的运动状态发生变化时，发射或吸收的有特定频率的电磁波谱。原子光谱的覆盖范围很宽，从射频段一直延伸到 X 射线频段。通常，原子光谱是指红外、可见、紫外区域的谱。

原子光谱中某一谱线的产生是与原子中电子在某一对特定能级之间的跃迁相联系的。因此，用原子光谱可以研究原子结构。由于原子是组成物质的基本单位，原子光谱对于研究分子结构、固体结构等也是很重要的。另一方面，由于原子光谱可以了解原子的运动状态，从而可以研究包含原子在内的若干物理过程。原子光谱技术广泛应用于化学、天体物理学、等离子物理学和一些应用技术科学中。

特征光谱 电子在能级之间跃迁时所发射的光谱。由于原子存在一系列的分立能级，电子从较高激发态跃迁到较低激发态或基态时，就发射出一定频率的光，若能级 E1 大于能级 E2，电子从 E1 跃迁到 E2 时发光的频率为：

v = E1 − E 2

h

因特征光谱中每条谱线都对应某一对分立能级之间的跃迁，所以每条谱线都有确定的波长，因此特征谱线是一系列分立的亮线。若壳层电子在壳层之间跃迁，则发射特征 X 射线，特征 X 射线是叠加在连续谱上的尖峰。

光谱线系 原子光谱并非无规则地分布，而是按一定的规律组成若干线系，这些线系的规律性与原子内部电子的分布情况及运动规律有密切联系，每一线系体现了电子在能级之间跃迁的规律性，例如我们将要在氢原子光谱中介绍的赖曼系、巴尔末系、帕邢系，碱金属光谱中的主线系、第一辅线系和第二辅线系。

氢光谱的规律 构成氢原子光谱的若干个线系的规律。1885 年瑞士物理学家、中学教师巴尔末发现氢原子光谱中可见光部分谱线的波长之间的关系可用下面的简单公式表示：

2

λ = B n 2 − 4

·

其中B为常数，B = 3645.6 A ，n为整数，当n = 3，4，5，6时，上式

分别给出氢光谱中可见部分的 4 条谱线的波长，这 4 条谱线分别用 Hα、Hβ、Hγ、Hσ来标志，这个公式称为巴尔末公式，若不用波长而用波数来表示，则可把巴尔末公式写成下列更简单的形式，

v′ = 1 = R( 1

λ 2²

− 1 )(n = 3，4，5，6， ) n2

式中 R=4／B，称为黎德堡常数，R=109677.58cm-1，黎德堡提出一个更普遍的方程

v′ = 1 = R ( 1

λ H m2

− 1 ) = T( m) − T( n) n2

氢原子的所有谱线都可以用黎德堡方程表示，式中 m=1，2，3，⋯⋯，对应每一个 m 有 n=m＋1，m＋2，m＋3⋯⋯，构成一个谱线系（如图）。式中，当 m=1，n=2，3，4，5，⋯⋯时，此谱线系处于紫外区，1914 年由赖曼发现，称为赖曼线系。当 m=2，n=3，4，5，6，⋯⋯，谱线在可见区， 称为巴尔末系，其中有最有名的红色 Hα(n=3，

· ·

λ = 6563 A ）是埃格斯特朗在1853年首先测到的，波长单位 A （埃）

即是用他的名字命名的。

当 m=3，n=4，5，6，7，⋯⋯的氢光谱线系在红外区域内，1908 年由帕邢发现，称为帕邢系。当 m=4，n=5，6，7，8，⋯组成的线系在红外区域，1922 年由布喇开发现，称为布喇开系。当 m=5，n=6，7，8，9，⋯⋯ 的氢光谱线在红外线区域，1924 年由普芳德发现，称为普芳德系。当 m=6， n=7 的谱线后来由哈泼雷斯发现。

类氢离子 原子核外只有一个电子的离子，这类离子与氢原子类似，叫类氢离子。但原子核带 Z＞1 的正电荷，例如 He+带一个正电荷（记为 HeⅡ），Li2+带两个正电荷（记为 LiⅢ），Be3+（记为 BeⅣ），利用加速器或在高温等离子体中，可得到 O7+、Cl16+、Fe25+、Ni27+等高 Z 类氢离子。类氢离子的光谱特征与氢原子光谱类似。

离子 原子是由原子核和核外电子组成，原子核带正电荷，绕核运动的电子带负电荷，原子的核电荷数与核外壳层电子数相等，因此原子显电中性。如果原子从外获得的能量超过某个壳层电子的结合能，那么这个电子就可脱离原子核的引力场范围成为自由电子。当原子失去一个或多个电子时，核电荷数多于核外壳层电子数，这时原子就变成带正电

荷的离子，同样某些元素的原子能粘上一个电子，使得核外壳层电子总数大于核电荷数，此时原子变成带负电荷的负离子。在多数情形下，原子失去电子变成正离子，在绝对温度不为零的任何气体中都有一定数量的原子被电离，在气体放电过程中以及受控聚变装置产生的高温等离子体中，有大量的工作气体原子和杂质原子的壳层电子被剥离成为离子， 例如氧原子，若失去一个电子记作 OⅡ，若失去两电子记作 OⅢ以此类推。此外以离子键组的化合物，如可溶于水的酸、碱、盐，在它们的水溶液中存在着大量的正负离子。

等离子体 由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。

普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到 1 亿开， 所有气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等。这种高度电离的、宏观上呈中性的气性叫等离子体。

等离子体和普通气体性质不同。普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果。等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场要影响其它带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等。等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态。

在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态。宇宙研究，宇宙开发，以及卫星、宇航、能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代。

辐射 自激辐射 受激辐射 物体释放出某一频率或频带的电磁波叫辐射。辐射是自然界中物质之间交换能量的形式之一。如热辐射， 光辐射。

处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留很短时间（约10-8 秒），它们会自发地回到较低的激发态或基态上而辐射出光子，这种辐射叫做自激辐射，原子发生自激辐射时，各个原子发射的光子向四面八方传播，且各个原子所处的激发态是不相同，而跃迁回到的低激发态也不相同，所以各受激原子辐射的光子的频率（能量）不相同，辐射光波的初位相（初始时刻）不同，光波振动的方向（偏振）也不同，因此这些光在叠加时不会产生稳定的干涉条纹，日光、烛光、普通电光源发射的线光谱和带光谱都属于自激辐射。

当原子处于激发态能级 E2 时，如果有能量 hv=E2－E1(E2＞E1)的光子照射在此原子上，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到低能级 E1 上，这种辐射叫做受激辐射。原子在发生受激辐射时， 辐射光子的频率、发射方向、初位相和偏振方向都与入射光子完全相同， 即是说受激辐射的光子与入射的光子没有区别，这样由一个入射光子引起的受激辐射就得到两个同样的光子，如果在媒质中传播这些光子再引起其它原子的受激辐射，就会产生越来越多的相同光子，使得这种单色

光得到加强，这就是激光。由受激辐射而得到加强的光叫做激光，因为激光有相同的频率、初位相和偏振方向，当它们叠加在一起时，产生稳定的干涉条纹，它是相干光。

原子核 原子的核心部分，简称核。原子核的线度只有原子的万分之一，质量却占原子的 99.9％以上，原子核带正电荷，其数值与轨道电子所带的总电荷数值相等，符号相反。原子的构造，早期人们认为原子核是由质子和电子组成，称为质子-电子假设，但这个假设与实验事实不符合（如核自旋，核磁矩等），在查德威克发现中子之后，海森堡提出质子-中子假设，一系列的实验事实都支持这个假设，现已被公认，中子不带电荷，其质量 mn=1.008665 原子质量单位，质子带一个正电荷，质量 mp=1.007277 原子质量单位。原子核的核电荷 Z 等于质子数，也等于

门捷列夫周期表中的原子序数。任何一个元素的核可以用符号^AX 表

示，其中 A 称为核内核子数，Z 为质子数，X 表示某种元素，N 表示核内的中子数，A=N+Z。一般只需写成 AX 就可以代表一个特定的核素，因为任何一确定的元素 X 它在周期表中的位置是确定的，即原子序数 Z 是确定的，而质子数与原子序数相等，中子则为质量数与质子数之差即 N=A- Z。

原子核的半径，因测量方法不同而有所差别，大致在 1.2～1.5× 10-13cm 左右，一般说来轻核的核半径略大于重核的半径。

基本粒子 一般指比原子核还小的物质单元。到目前为止已发现的基本粒子有 800 多个，按照它们之间的相互作用性质可分为三类：强子、轻子、光子。

①强子。一切参与强相互作用的粒子统称为强子，已发现的强子有内部结构，它们由夸克(quark)组成，强子又分为重子和介子两种，强子包括Ω、Ξ、∑、Λ超子，中子和质子及η、Κ、π、D 介子。

②轻子。不参与强相互作用的重子。轻子的定义主要以相互作用划分，因为有些轻子的质量并不轻，如τ子，它的质量是中子质量的 1.9 倍。轻子包括μ子、电子、μ子中微子νμ，电子中微子νe，τ子及它们的反粒子。

③光子，现在只发现一种。

基本粒子多数是不稳定的，在很短时间内会发生衰变，并且能相互转变，只有质子、电子、中微子和光子是稳定的。

基本粒子有确定的静止质量、自旋和奇异数学性质。基本粒子有它的反粒子，一对正反粒子相遇时，会同时消失而转化为别种粒子，这种现象叫做“湮灭”。

放射性和放射性元素 物质发射出α射线、β射线和γ射线的性质叫做放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。放射性过程是发生在原子核内部，它与核外壳层电子（或电子云）重新分布的物理和化学条件无关，放射性物质表现出一系列特性作用，它能使气体电离，使照相乳胶发黑，使某些荧光物质发光，它还能释放出能量，所以放射性物质的温度比周围媒质高。放射性物质的放射性活度用来表示单位时间内， 此放射性物质核衰变数目，它表示放射源的衰变强弱程度，常用单位为居里，每秒内产生 3.7×1010 核衰变（或粒子数）为 1 居里。在自然界中

存在有 60 余种天然放射性核素，原子序数排在 82（即 Z=82)以后的元素都是不稳定的。更多的放射性元素通过人制造产生，一般是在反应堆和加速器中靠核反应和活化等方法产生的。

α、β、γ衰变 ①放射性元素放出α粒子的衰变叫做α衰变。原子核的α衰变可以一般地表示为：

A X→ ^A− 4 Y + α

Z Z − 2

发生α衰变的必要条件是：衰变前母核的原子量必须大于衰变后子核的原子量和氦核的原子量的总和。α衰变比较集中于重核。

α衰变能可表示为：

Eα=(mx-my-mα)c2

式中 mx、my、mα分别表示母核、子核和α粒子的静止质量，c 为真空中的光速。

②只是核电荷改变而核子数（质量数）并不改变的核衰变叫β衰变。

它主要包括β-1 衰变（放出电子），β+衰变（放出正电子）和轨道电子捕获(EC)三种形式。经理论和实验证明：β衰变过程中伴随着中微子释放，中微子是一种不带电荷，静止质量接近于零，记作ve。β ⁻ 衰变

一般可表示为：

A X→A

Y + e⁻ + ve

Z Z−1

在衰变中释放的是正电子和中微子叫β+衰变。表示为：

A X→A

Y + e⁺ + ve

Z Z+1

衰变过程中，若母核俘获一个核外轨道电子，使母核中一个质子转为中子，叫轨道电子捕获。

由于 K 层电子最靠近原子核，所以 K 电子俘获最易发生。电子俘获可表示为：

^A X→e ⁻ + e ⁺ + v

Z i e

i 表示从 i 层俘获电子。β衰变的衰变能分别表示为：

E -=(m -m )c2

E +=(m -m -2m )c2 EEC=(mx-my)c2-Wi

式中，mx 和 my 为母核原子和子核原子的静止质量，me 为电子的静止质量，

c 为真空中的光速，Wi 为轨道电子结合能。

③原子核在发生α和β衰变时，子核往往处于激发态，而处于激发态的原子核是不稳定的，它向低激发态和基态跃迁时往往释放出光子， 称为γ衰变，如果用 En 和 El 分别表示原子核上、下两个激发态的能级， 则γ光子的能量为：

Ey=En-El

这里忽略原子核因释放γ光子引起的反冲能量。

在某些情况下，原子核从高激发态向低激发态或基态跃迁时，不放出 y 光子，而是把这部分能量直接交给核外电子，使原子内的某个壳层电子被电离，这种现象称为内转换(IC)，释放的电子称为内转换电子，

内转换电子的能量为 Ee：

Ee=En-El-Wi

Wi 是 i 层电子的结合能，表示某个 i 层电子经内转换被电离。y 光子和内转换电子的能量是分立的非连续谱。它与β衰变电子的连续谱截然不同。原子核能级发生跃迁时，究竟是放出γ光子的几率大，还是产生内转换的几率大，完全由核能级的特性决定。

α粒子、β粒子、γ光子α粒子实际上是氦核，它由两个质子和两个中子组成，它的质量等于氦原子量减去两个电子的质量，因为没有壳层电子，所以带两个正电荷即+2e，α粒子的能量约在 4～9 兆电子伏特之间，它有很强的电离作用，它的贯穿能力很弱，一般说一张薄纸足以阻挡α粒子穿过，α粒子在通过物质时因电离逐渐失去能量，速度愈小时，电离作用愈强，最后α粒子从外界得到两个电子变成氦原子。

β粒子有两种即电子和正电子，β -衰变放出电子，而β+衰变则放出正电子，β粒子的静止质量很小，带有一个电荷（负电荷，或正电荷）， 因此在磁场中会发生偏转。β粒子的贯穿本领较强，因它是带电粒子故穿透物质时有较强电离作用。

光子既是粒也是一种电磁波，光子没有静止质量，也不带电荷，故在磁场中不发生偏转。事实上光学范围内的（红外光、可见光、紫外光） 光子与（软、硬）X 光子及γ光子并无本质上的差别，它们只不过是频率不同的电磁波，在产生的机制上有所区别，光学范围内的光子是原子外层电子在能级之间跃迁所致，特征 X 射线是电子在原子的壳层电子的层间跃迁所致，X 光子也可由高能电子的轫致辐射或回旋辐射产生，而γ光子则是原子核从高激态跃迁到低激发或基态时所产生的电磁辐射。

α射线、β射线、γ射线 α射线由α粒子构成，α射线的能谱是分立谱，α射线包括若干群能量不同的α粒子。因为α粒子带有+2e 电荷，故在磁场中将发生偏转，因为α射粒子有很强的电离作用，通常用云室探测α粒的“径迹”，因为α粒子带电，可用闪烁体对α射线的强弱计数。利用α射线中不同速度的α粒子在均匀磁场中发生的偏转角度不同的现象，可用磁摄谱仪测量α射线的能谱。

β射线由电子或正电子组成，所以β射线实际上是电子或正电子流。因此，β射线在磁场中将发生偏转，故可用β射线在磁场中的偏转角度确定β粒子的能谱和速度，β射线有较强的穿透能力，它通过物质时可能产生弹性散身，这种散射既可以由物质原子的外层电子所引起， 也可以由原子核所引起。β射线使物质电离而引起能量损失，β射线中的电子（或正电子）经过原子核场时受到减速作用而发生轫致辐射辐射出 X 光。β射线的能谱是连续谱。

γ射线由γ光子组成，γ射线在磁场中不发生偏转，它有很强的穿透能力，其穿透深度取决于γ光子的能量和被穿透物质的原子序数，γ 射线的电离本领很弱，它经过某种物质时可产生光电效应（γ光子被物质的原子吸收放出一个光电子），康普顿散射（γ光子被原子的壳层电子所散射），正负电子对（γ光子的能量转变成一对正负电子及电子的动能），γ射线通过物质时由于上述三种效应而强度减弱。

γ射线的能谱是分立谱，受激原子核释放的γ光子都有确定的能

量。

衰变 原子核由于放出某种粒子而变为新核的现象。原子核是一个量子体系，核衰变是原子核自发产生的变化，它是一个量子跃迁过程， 它服从量子统计规律。对任何一个放射性核素，它发生衰变的精确时刻是不能预知的，但作为一个整体，衰变的规律十分明确。若在 dt 时间间隔内发生核衰变的数目为 dN，它必定正比于当时存在的原子核数目 N， 显然也正比于时间间隔 dt，于是有：

-dN＝λNdt

λ是比例常数，dN 代表 N 的减少量，故为负值。设初始时刻 t=0 时，原子核的数目为 N0，则上式经积分后变为：

N＝N0e-λt 这是放射性衰变服从的指数定律。

蜕变 嬗变 原子核自发地放射一个α粒子和β粒子转变成另一个核的过程叫做蜕变。

放射性蜕变过程必须遵守电荷守恒定律、质量和能量不灭定律，即子核的电荷数与放出射线的电荷数之和应等于母核的电荷数。由于质量

能量不灭，所以要求：m = m ＋Σm ＋ △W ，ΔW为衰变时释放

母 子 射线 c 2

的能量，m 射线前加∑是因为有时衰变不止放出一种射线。因为天然放射性现象中与ΔW 相对应的质量不仅为原子质量很小的部分，所以子核质量数与射线质量数之和应等于母核质量数。

天然放射性蜕变有四系，即：铀系以铀的同位素²³⁸U开始，最后的

稳定产物是²⁰⁶Pb；钍系以²³²Th开始，最后稳定的产物是²⁰⁸Pb；锕系以

82 90 82

²³⁵ U开始，最后稳定的产物是²⁰⁷Pb；镎系以²⁴¹ Pu开始，最后生成物是稳

92 82 94

定的²⁰⁹Bi前三个系是天然放射系，它们的最后稳定产物是铅的同位素。

用加速器加速的高能粒子轰击某些物质或用核辐照的方法产生的放射性同位素而放出α射线β射线称为嬗变或人工蜕变。

衰变常数 原子核在单位时间内发生衰变的几率。在指数衰变律公式（见“衰变”）中，可写为：

λ = − dN / dt

N

分子代表单位时间内发生衰变的原子核数，分母代表当时的原子核总数，λ称为衰变常数。每一个放射性元素都有它特有的λ值，没有任何两种放射性元素的衰变常数λ是相同的，由此可用测衰变常数λ的方法判断发生衰变的元素属于哪一种元素。λ大的放射性元素其衰变速率也大。

半衰期 放射性元素的原子核衰变掉仅有核数一半所需的时间，用T1/2 表示，当 t=T／1/2 时，N=N0/2，于是有：

N 0 = N

2 0 e

−λT

1/2

T1/2

= ln 2 = 0.693

λ λ

T1/2 与λ一样是放射性元素的特征常数，λ越大 T1/2 越小。

平均寿命 处于某一状态（能态）的放射性原子核平均生存的时间。放射性元素中每个核发生衰变的时间有长有短，我们用平均寿命表示发生衰变的原子核的寿命。现在已知的可以衰变的基本粒子，其平均寿命分布在很大的范围内。中子的平均寿命最长，为 898±16 秒，其它粒子平均寿命都短于 10-5 秒，最短约为 10-25 秒。

核反应 一般是由一定能量的粒子（轻核，α，β，γ射线，n，p 等） 轰击靶原子核而引起靶核性质的改变的过程。作为轰击粒子的能量可以很低(1eV)，也可以高到数百京电子伏特(1GeV=109eV)，其入射粒子能量低于 100MeV 以下，称为低能核反应，100MeV～1GeV 称为中能核反应，1GeV以上的称为高能核反应。作为靶核是多种多样的，从质子到铀核，历史上第一个人工核反应：14N＋α→p＋17O 一般情形下，核反应的过程主要是复合核过程。入射的粒子打在靶核上，它们就混合在一起，形成复合核，此种复合核状态可以延续 10-16 秒以上，随后它通过某种可能的蜕变方式释放出某种粒子而完成核反应。另一种是剥裂反应，例如 27Al(d， p)28Al，即用氘核轰击铝靶时，氘核擦过靶核时被剥裂，氘核中的中子进入靶核，而质子被抛出去。还有一种称为拾取过程的核反应，例如13C(3He，α)12C，入射的 3He 擦过靶核时，从靶核中抓走一个中子，形成出射的α粒子。剥裂过程和拾取过程又称为直接过程，因为这两种过程在 10-21 秒内完成，此时间约为入射粒子通过靶核所需的时间。

核反应过程中，除能量守恒和动量守恒外，还遵从电荷守恒、质量守恒、角动量守恒和宇称守恒。

核力 在原子核中，使质子与中子紧密地结合在一起的力。核力的特点是：①短程力，核力只有在原子核的线度(10-13cm)内才发生作用。

②强相互作用，质子间产生库仑斥力，而核力能抗拒库仑斥力而使质子紧密结合在一起，这说明核力很强，它比库仑力大 100 倍。③核力与核电荷无关，质子间的核力 Fpp，中子间的核力 Fnn，及质子与中子间的核力 Fnp 都相等，即：Fpp=Fnn=Fnp。④核子不能无限靠近，即核力除表现为引力之外，在某些情形下表现为斥力。大体上说核子间的距离在 0.8～2.0 费米(1 费米=10-13cm)之间表现为引力，小于 0．8 费米表现为斥力，大于 10 费米时，核力消失。⑤核力也是一种交换力，核子之间通过交换π 介子（π+，π-，π0）而发生强相互作用，此类似于光子是电磁相互作用的传播者。

质量亏损 质子和中子的总质量与由它们组成的原子核的质量之差额。实验指出，原子核的质量比核内所有质子和中子的质量总和总是少一些，这个差额便是原子核的质量亏损，一般以Δm 表示。

按照爱因斯坦的相对论质能关系，系统的质量改变Δm 时，一定伴有能量改变ΔE=Δmc2。由此可知，当若干个质子和中子结合成核时，必有ΔE 的能量放出，并且ΔE=[Zmp+(A－Z)mn－mx]c2。根据原子核的结合能的定义，上式计算出的ΔE 就是核的结合能。如果要使一个原子核分解为单个的质子和中子，就必须至少供给与结合能等值的能量。

例如，氦核( ⁴ He) 的质量m = 4.001506u，一个质子的质量m = 1.00726u

2 x p

，一个中子的质量 mn=1.008665u。两个中子和两个质子组合成一个氦核

时 发 生 的 质 量 亏 损 Δ m=2 × 1.007276 ＋ 2 × 1.008665 － 4.001506=0.030376u，从而氦核的结合能ΔE=Δmc2＝0.030376×1.6606

×10－27×(3×108)2＝4.53992×10-27 焦=28.28 兆电子伏特。所以，要

使一个氦核分裂为单个的质子和中子，就至少需要 28.28 兆电子伏特的能量。所谓质量亏损并不是质量的消灭，核反应结果生成的辐射场是一种物质，它具有质量、动量和能量。核反应后生成的核的质量加上辐射场的质量，与反应前核的质量相等，即质量守恒。Δ E=Δmc2 反映的是核反应前后核的质量变化（辐射场的质量）与释放能量（辐射场的能量） 间的对应关系。

质能方程 物体总质量与其总能量之间的关系式。是爱因斯坦于1905 年提出的狭义相对论的一个重要结论。其表示式为：

E＝mc2

c 是光速。由质能方程，基本粒子的静止质量既可用质量单位（千克）表示，也可用能量单位表示，例如一个电子的静止质量是 9.108×10-31 千

克，也可以说电子的静止质量为 0.51MeV，质子的质量是 1.673×10-27 千克，也可说它的质量是 938.3NeV，它们通过质能方程而等同。质能方程说明质量和能量可以相互转换，一定质量的物质可以用能量表示，同样一定的能量也可有质量表示，使物质不灭定律和能量守恒定律联系起来，在核反应中，如果出现质量亏损，则必然有能量释放，释放的能量必定为：E=Δmc2。

需说明的是：基本粒子用能量表示其质量是指它们的静止质量，如果粒子的运动速度接近光速变为相对论粒子时，它的质量则按相对论处理，即

m = m0

原子核的结合能 核子结合成原子核或原子核分解为核子（质子和中子）时，释放或吸收的能量。如果原子核的质量为 m，那么该原子核的结合能 B 由下式确定。

m=Zmp+Nmn-B/c2

式中 mp、mn 是质子和中子质量，Z 和 N 分别是质子数和中子数，一般的核数据中给出原子量 M 故有：

M=Zmp＋Nmn＋Ee-B/c2

me 是电子质量，某个原子核结合能一般表达式：

B=[z(me+mp)+Nmn-M〕c2

原子核中每个核子对结合能的贡献用平均结合能或称为比结合能 B

／A 表示，A 是核子的总数，中等核的平均结合能为 8．6MeV 左右，轻核和重核的结合能较小，见图。（横轴为 A，纵轴为 B／A（MeV 核子））

原子能 在核反应过程中，原子核结构发生变化释放出的能量。又称核能。20 世纪 30 年代末，科学家发现，用中子轰击铀原子核，一个入射中子能使一个铀核分裂成两块具有中等质量数的碎片，同时释放大量能量和两三个中子；这两三个中子又能引起其他铀核分裂，产生更多的中子，分裂更多的铀核。这样形成的自持链式反应，可在瞬间把铀核全部分裂，释放出巨额能量。铀 235 可以被任何能量的中子特别是运动速

度最慢的热中子分裂。铀 238 只能被运动速度很快的快中子分裂，对慢

中子和热中子则只俘获不分裂。通常所说的核裂变，主要指铀 235 核分

裂。一个铀 235 核分裂释放的核裂变能为 2 亿电子伏特。这是原子核结构发生变化的一种方式，叫裂变反应。另外一种方式叫聚变反应。如一个氘核和一个氚核聚合成一个氦核释放出的核聚变能为 1760 万电子伏特。以相同质量的反应物的释能大小作比较，核裂变能和核聚变能分别是化学能的 250 万倍和 1000 万倍，1 千克铀 235 相当于 2500 吨煤，1 千

克氘和氚相当于 1 万吨煤。

裂变 重核分裂成两个（偶尔也分裂成两个以上）中等质量的核的过程。某些重核如 235U、238U、239Pu、233U 等，在中子轰击下分裂成两个中等质量的核。以 235U 为例，在慢中子轰击下，分裂成质量数 M=95 和M=139 的两个碎块的可能性最大

235U+n→236U→135Xe+95Sr+2n

裂变产生的碎块有多种组合方式，例如：

235U+n→236U→144Ba+89Kr+3n

也是一种组合方式。239Pu 是人工元素，在慢中子轰击下产生裂变。238U 只有在快中子（动能大于 1MeV）才可诱发裂变。其它的粒子如质子、氘、α粒子、γ光子也可诱发核裂变，但中子引起的裂变占有重要的地位。

链式反应 中子引起铀核裂变后放出的中子继续引起其它铀核裂变并持续不断进行下去的过程。实现链式反应的条件是：①减少中子被 238U 吸收的机会，使中子的增殖系数 K＞1。我们知道天然铀中 99.3％是 238U， 238U 俘获快中子后发生裂变的几率很小，而形成 239U 的几率很大，慢中子（热中子）与 235U 发生作用时，产生裂变的几率很大，它比热中子被238U 俘获放出γ射线的几率大 200 倍以上，因此有两种方法使 K＞1，即减少 238U 的成分，使 235U 浓缩；另一个方法是使裂变产生的中子（其能量峰值在 1MeV 附近）减速慢化，轻元素是最好的中子减速剂，通常用重水或石墨作为减速剂，减速后的热中子增加了与 235U 发生裂变的几率， 减少了被 238U 吸收的可能性，有利于使 K＞1。②铀块的体积足够大，减少热中子在发生裂变之前逃逸的可能性。增加反射层，也可阻止中子逃逸，保证 K＞1。

链式反应最根本的条件是使中子增殖系数 K 大于 1。

临界体积 能够发生链式反应的最小铀块体积。当铀快较小，中子从铀块中通过时还没有机会碰到一个铀核而发生核裂变之前就跑到铀块外面，如果仅有少数热中子与 235U 发生裂变，而裂变产生的中子又多数逃逸到铀块外面，那么铀块中的中子会越来越少，不能满足链式反应的条件 K＞1，于是裂变反应就不可继续下去。因此铀块的大小必有一个临界体积，此体积足以使铀块中的中子数有机会碰到 235U 的核，保证中子增值系数 K＞1。

原子的反应堆 一种能控制的利用原子能的装置。如果裂变反应达到一定强度，控制中子倍增系数 K=1，那么裂变链式反应就能有控制地进行，不发生爆炸而输出能量。

原子反应堆的堆形由减速剂和热交换方式及用途有许多种，如石墨堆、重水堆、沸水堆、压水堆、高温气冷堆、增殖堆、高通量堆裂变-聚变混合堆等。以天然铀为燃料，石墨为减速剂的裂变堆的工作过程，见

图。一个天然的 235U 原子核在中子轰击下裂变时平均放出η个中子，这些快中子碰到 238U 时又会引起裂变产生快中子的裂变因子为ε，使快中子增加到ηε个，其中ε＞1。进入慢化剂的ηε个快中子有ηεP 个慢化为热中子，其中 P 为中子逃脱的共振吸收几率。在幸存的中子中仅有ηεPf 个中子被 235U 所俘获，f 称为中子的利用系数，在ηεpf 个俘获的中子中产生裂变的份额是：

K = ηεPf σf

σ t

K 称为增殖系数，σf 是中子的裂变截面，σt 是可裂核的总截面。如果 K

＞1，反应堆能连续工作。以天然铀为燃料，用石墨作慢化剂组成栅格，

各典型系数值：η = 2.47，ε = 1.02，p = 0.89，f = 0.88， σ t

σ t

= 0.54，

则 K=1.07，满足链式反应的条件。

反应堆堆心部分用含铅水泥的厚混凝土屏蔽层屏蔽，四周及堆顶用高强度金属材料加固，防止放射性射线、核泄漏并确保反应堆的安全。为控制链式反应强度，用碳化硼或金属镉制成的控制棒插入堆心中。因为这两种物质能大量吸收中子，通过控制棒插入的深浅，可控制堆心中子数，或使反应堆停止工作。堆心外面是使堆心冷却的传热剂，把传热剂泵到热交换器中，使水变为高压水蒸汽，可推动汽轮机发电。

原子弹 利用快中子引发的快速的、不可控制的原子核裂变链式反应原理而设计制造的炸弹。原子弹的构造示意图如右图。图中将两块半球形的核燃料（235U 或 239Pu）分开安装在炸弹中，每一块的体积都小于临界体积，其中一块固定，另一块后面装上普通炸药(TNT)和引爆装置（雷管）。当引爆装置引起普通炸药爆炸时，产生的高温高压气体便把两块原子炸药迅速压在一起，使其成为一整块，超过临界体积，形成中子增殖系数 K＞1 的超临界状态，此时大量的核能便通过链式反应在极短的时间内放出，形成猛烈的爆炸。在军事上，原子弹主要有四种杀伤力：① 光辐射。剧烈的核爆炸放出可见光和红外辐射。这种辐射以光速传播， 弹着点周围的地区首先受到这种非常强烈的光辐射影响，足以灼伤离爆炸点相当远的地方的人员和引起大火。②冲击波。爆炸本身就是一种强大的压力波，与声波相似但要强烈得多。足以摧毁地面上的军事设施和建筑物，造成间接杀伤。③放射辐射。裂变产生大量的γ射线，大量的γ射线辐射造成人身受害。④放射性粘染。裂变碎片绝大部分是具有放射性的同位素，大约有 200 多种。另外，原子爆炸时放出的巨大数量的中子与爆炸点地面上和天空中的原子核作用，又会产生更多的放射性原子核，这些放射性原子核许多呈气态，其它一些是尘埃，它们随着大气环流传布到各地大气中或落在地面上形成放射性粘染。人们通过食、吸、接触等渠道被身体吸收，潜伏在身体的组织器官，不断放射各种射线使人身丧失各种能力而慢慢死亡。在和平建设中比普通炸药威力大千万倍的原子爆炸可广泛用于开山筑坝、改山治水、改造沙漠、熔化两极厚冰等大规模的工程建设，造福于人类。

世界上第一颗原子弹是 1945 年 7 月 16 日美国新墨西哥州阿拉芒戈

多附近的沙漠上空试验成功的。我国于 1964 年 10 月 16 日爆炸了第一颗

原子弹，从此打破了美、俄的核袭断。

核燃料 裂变物质中能产生链式反应的物质。如铀—235，钚—239 和和铀—233，它们的核在中子轰击下产生裂变，同时放出 2～3 个中子， 使裂变反应继续下去。天然核燃料只有铀—235，钚—239，铀—233 是人工制造的核燃料。铀和它的同位素在铀矿石中的含量很低，首先使铀元素从矿石中分离出来，然后根据不同的需要做成 235U 含量（即浓缩度） 不同的核燃料，原子弹中用纯 235U，在某些反应堆中用浓缩铀（精料）， 而在另一些堆中可用不经浓缩的铀（粗料），通常把核燃料作成核元件

（圆柱体）置入反应堆堆心。在某些情况下把核燃料做成盐的溶液。在原子能发电站中，使用的核燃料是浓缩度较低的固体核元件。

聚变 将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核

（或粒子）的过程。两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量，两个轻核在发生聚变时因它们都带正电荷而彼此排斥，然而两个能量足够高的核迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，以致核力能够克服库仑斥力而发生核聚变。当一个核电荷数为 Z1，核半径为 R1 的核与另一个核电荷数为 Z2 半径为 R2 的核“接触”时，其库仑斥力产生的位能是：

(U )

= (Z1e)( Z2 e)

斥 力 max

4πε (R + R )

0 1 2

对于氢的同位素 Z1=Z2=1，R1≈R2≈2×10-15m，ε0 是真空介电常数，

(U 斥力 ) max ∽360keV

即每个轻核需要 180keV 的动能。实际上，因为粒子有一定的势垒贯穿几率和粒子速度分布，使小部分粒子的动能远大于平均动能，因此聚变温度可降低。一些感兴趣的聚变反应是：

(1)D＋D→3He＋n＋3.27MeV (2)D＋D→T＋p＋4.05MeV (3)D＋T→4He＋n＋17.58MeV (4)D＋3He→＋4He＋p＋18.34MeV (5)6Li＋n→T＋4He＋4.8MeV (6)P＋6Li→4He＋3He＋4MeV (7)7Li＋n(2.5MeV）→T＋4He＋n

其中 D 是氘，T 是氚，都是氢的同位素。P 表示质子，1 升海水中的氘经聚变反应后释放的能量与 300 升汽油所释放的能量相当。在 D－D 反应中，堆燃料的成本是微不足道的，氘在自然界中存在的比例是普通氢的 1

／6500，氚是放射性物质，其半衰期为 12.4 年，它在自然界中无天然存在，必须由人工制造。

目前最有希望的聚变是(3)和(5)，D-T 反应产生的中子与包层再生区的 6Li 再次发生聚变反应除多获得 4.8MeV 的能量外，还可产生宝贵的氚，因而反应堆可以自己生产足够的氚，使堆能持续运行。

受控热核反应 用人为的方法控制的热核反应。它是目前各国科学家研究的前沿尖端课题。它比产生爆炸式的热核反应要复杂得多，困难得多。它必须具备下述一些条件：①几千万度以上的高温。在这个温度下，等离子气体中的部分原子核可能进行聚变反应，温度越高，聚变反

应进行得越快。②充分约束。即把高温下的等离子体约束在一定的区域内，并保持足够的时间，使其充分聚变。③相当低的密度。高温下的等离子气体具有很高的压强，因此要把容器内的气体抽到相当真空，使单位体积内的粒子数不能超过 1015 个，相当于常温下气体密度的几万分之一。④保证自持。处于高温下的等离子体的不稳定性，使它只能被约束一个很短的时间。为了使足够数量的等离子气体发生聚变反应，并得自持下去，就必须对参与反应时的等离子气体的密度和实现对它可靠的约束时间之间有一个要求，即劳逊条件。这个条件单就时间而言，氘-氘反应至少为 10 秒，氘-氘反应仅需 0.1 秒。

尽管如此，由于受控热核反应的诱人前景，各国科学家们仍在坚持不懈地努力探索，改进装置。典型的有欧州的“托卡马克”（准稳态环形磁场受控热核装置）。

氢弹 利用迅速而剧烈的、不可控制的热核反应而引起爆炸的装置。氢弹的构造示意图如下。容器中装有聚变氢弹的构造示意图物质， 作为氢弹的燃料。一般氢弹的燃料主要是氘、氚和锂的凝聚态物质。

聚变反应方程为：

¹ H + ⁶ Li→2⁴ Hc + 22.4McV。

2 3 2

如果爆炸物中再掺以铀等裂变燃料，热核反应产生的中子又可引发铀核裂变，从而更增加了能量的释放。为了创造热核反应需要的高温，容器附近有两个相互分开的半球形铀（或钚）块，作为氢弹的引爆物（原子弹）。此外，还需用普通炸药(TNT)作为原子弹的引爆物。因此，一般认为，氢弹是用一颗小原子弹作引弹的，比原子弹更具威力。当雷管引发普通炸药(TNT)爆炸时，它产生的高温高压气体，将两半球的铀（或钚） 块迅速压拢，使原子弹爆炸，同时立刻产生了氘与氚的聚变反应所需要的高温，因而热核反应迅速而剧烈地、不可控制地进行，形成了爆炸。人类第一个氢弹爆炸是 1954 年实现的。我国于 1967 年爆炸了第一颗氢弹，进一步打破了超级大国的核垄断。

同位素 放射性同位素 具有相同质子数、不同中子数的原子。一般天然元素是几种同位素组成的混合物。某种同位素的原子数占此种元素总原子数的百分比叫该同位素的丰度。如天然氮气内含有 14N 和 15N 两种同位素，每 271 个氮原子中有 27014N 和1 个15N，因而 14N 的丰度为99.63

％，15N 的丰度为 0.37％。化学原子量是该元素的天然组成中同位素质量的平均值。如镁含的三种同位素丰度分别为：24Mg78.6％，25Mg10.11％，

26Mg11.29％。

同位素中有一类能自发地放射出各种射线，称为放射性同位素，或放射性核素。放射性同位素有天然性和人工性两大类。天然性指天然存在的放射性同位素，有钍系、铀系、锕系，它们大多由重元素组成。人工性指用核反应的方法获得的放射性，最早是在 1934 年由约里奥-居里夫妇用α粒子轰击铝时发现的。放射性同位素放射出的射线类型除α、β、γ外，还有正电子、质子、中子、中微子等其它粒子。

放射性同位素具有放射性这一特征，以及放出射线能量所造成的各种生物效应使其在各方面的应用很广泛。如同位素示踪就是利用放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂，研究化学、生物或其它过程的方法。因为放射核素或稀有稳定核素的原子、分子及其化合物与普通物质的相

应原子、分子及其化合物具有相同的化学生物等性质，但放射性核素能不断地放射具有一定特色的射线，通过探测方法追踪含有放射性核素的标记，从而找到各种规律。同位素示踪在工业、医学、生命科学、农业等方面都有广泛应用。在农业上，利用射线的生物效应可以进行育种、灭虫、食品贮藏等。如射线对生物具有致死效应，在一定剂量的射线照射下，可杀死微生物、昆虫及高等生物体的细胞。利用这一特性可使鱼肉类食物延长贮藏期，可以杀灭谷物中的害虫，可以抑制薯类、水果等发芽或延期成熟。目前市场上的部分食品就是经过射线辐射的处理，不仅卫生还能在较长时间内保鲜。

天然放射性同位素在生命科学、考古科学方面得到较为广泛的应用。

加速器 用人工的办法加速带电粒子，使其获得很高速度的装置。加速器利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速， 使其具有高达几千、几万乃至接近光速的高速带电粒子束，是人们认识原子核和探讨基本粒子，对物质深层结构进行研究的重要工具。同时随着加速器技术的不断发展，各种新的技术、新的原理不断更新，不断突破，进一步促进新技术的向前推进。加速器的研究和发展同时带来在工农业生产、医疗卫生、国防建设等各方面的重要而广泛的应用。

早在 20 世纪 20 年代，科学家们就探讨过许多加速带电粒子的方案， 并进行过多次实验。其中最早提出加速原理的是 E．维德罗。30 年代初高压倍加器、静电加速器、回旋加速器相继问世，研制者分别获得这一时期的诺贝尔物理学奖。这以后，随着人们对微观物质世界深层次结构的研究的不断深入，各个科学技术领域对各种快速粒子束的需求不断增长，提出了多种新的加速原理和方法，发展了具有各种特色的加速器。其中有电子感应加速器、直线加速器、强聚焦高能加速器、扇形聚焦回旋加速器。1956 年克斯特提出通过高能粒子束间的对撞来提高有效作用能的概念，导致了高能对撞机的发展。

几十年来，人们利用加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成上千种新的人工放射性核素，并对原子核的基本结构和其变化规律进行了系统深入的研究，促使了原子核物理学的发展和成熟，并建立新的粒子物理学科。近 20 年来，加速器的发展的应用使材料科学、表面物理学、分子生物学、光化学都有重要发展。

我国加速器的发展始于 50 年代末期，先后研制和生产了高压倍加器、静电加速器、电子感应加速器、电子和质子直线加速器、回旋加速器。近年来更加先进的加速器在我国又取得重大进展，北京已建成正负电子对撞机，使我国加速器的研制和应用进入了世界先进行列。

云室 显示能导致电离的粒子径迹的装置。是最早的带电粒子探测器，是 C.T.R.威耳孙 1896 年提出的，故称威耳孙云室。它的原理是：射出云室的高能粒子引起的离子在过饱和蒸汽中可成为蒸汽的凝结中心， 围绕着离子将生成微小的液滴，于是粒子经过的路径上就出现一条白色的雾，在适当的照明下就能看到或拍摄到粒子运动的径迹，根据径迹的长短、浓淡以及在磁场中弯曲的情况，就可分辨粒子的种类和性质。云室的下底是可上下移动的活塞，上盖是透明的，一小块放射性物质（放射源）放在室内侧壁附近。实验时，在室内加适量酒精，使室内充满酒

精的饱和蒸汽。然后使活塞迅速下移，室内气体由于迅速膨胀而降低温度，于是饱和蒸汽沿粒子经过的路径凝结，显示出粒子运动的径迹。

威耳孙于 1911 年拍摄得世界上第一张α和β粒子的径迹照片，后他

又不断改进云室技术，由于云室的工作而获得 1927 年诺贝尔物理学奖。由于云室灵敏时间短，工作效率低等原因，在核物理实验中已很少

应用。但在高能物理，特别是在宇宙射线研究中，膨胀云室仍不失为一种有用的探测工具。

宇宙射线 来自宇宙空间的各种高能粒子流。这些粒子流源于各种天体过程，如太阳表面的高能活动，超星体爆炸，脉冲星及其它恒星的高能活动等。通常把进入大气层以前的宇宙线叫初级宇宙线，把初级宇宙线进入大气以后与大气中原子核作用而产生的射线叫次级射线。现在已知初级宇宙线中绝大多数是带正电的质子和α粒子，还有少量的氮、氧、氖、硅、铁等较重的原子核和少量电子。这些粒子具有很高的能量

（平均为 200 兆电子伏特，最高可达 1021 电子伏特），它们进入大气后与大气中的原子核发生作用使宇宙线成为天然实验室，许多高能粒子就是在宇宙线中首先发现的。由于宇宙线是高能天体的产物，因此宇宙线的研究引起了人们的极大兴趣。

原子能发电 利用较重的原子核（如铀核、钚核）裂变成较轻原子核的过程中释放的能量通过一定的装置转变为电能的过程。又称核能发电。目前，包括我国在内的世界上大多数先进国家和地区已相继建成了数百座原子能发电站。

原子能发电站又称核电站，其关键设备是核反应堆，它相当于火电站的锅炉，受控的链式反应就在这里进行。核反应堆有多种类型，使用最广泛的是轻水堆和重水堆，轻水堆又分压水堆和沸水堆。

压水堆核电站以低浓铀作燃料，以在一回路中流动的高压不沸腾水作冷却剂兼慢化剂。在压水堆中，核燃料被制成燃料棒，集束组合成燃料元件，紧密排列形成堆心。运行时，核裂变放出的中子飞入慢化剂（水） 减速为热中子，再飞回核燃料内引起裂变。冷却剂（水）吸收核裂变释放的能量，沿一回路流出堆外，在蒸汽发生器中把能量传给二回路水， 使其变成高温高压蒸汽，推动汽轮发电机发电。反应速度由控制棒控制， 它由能强烈吸收中子的材料如镉和硼做成，通过调节控制棒插入堆心的深度实施控制。

1942 年 12 月 2 日，第一座核反应堆首次实现自持的链式反应，宣告人类社会进入了“原子能时代”。1954 年，第一座核电站建成。

原子能发电的能量密度大，燃料用量少，发电综合成本低，正常运行时对环境的污染远比火力发电对环境的污染小，是一种较成熟的强大的新能源。由于采取多重保护、多道屏障、纵深设防的设计原则，核电站一般不会发生事故，特别是发生严重事故的可能性极小。

我国自行设计制造的第一座秦山核电站已投入运营。不久的将来， 在我国广东、上海、辽宁等地还将陆续建设一批核电站。

粒子的相互作用 组成物质的粒子之间力的相互作用。所有相互作用可归结为四种，即强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和万有引力作用。四种作用的比较如下表：

科学家正在对这四种基本的相互作用进行深入的研究，很有可能把强作用、弱作用和电磁作用统一起来。

夸克模型 即层子模型。一种强子的基本结构。基本粒子的种类很多，又能互相转化，这就促使人们进一步研究基本粒子的结构，并提出了关于基本粒子的假设。这种理论认为：①强子（包括介子和重子）是由更深一层次的层子（又叫夸克）构成的。层子有几种，所带电荷可能是基本电荷的 1／3 或 2／3。介子由一个层子和一个反层子构成，重子由三个层子构成，反重子由三个反层子构成。②强子是由层子通过超强作用结合成的束缚态。③强子参与的相互作用过程实质是由构成强子的层子参与的相互作用过程。夸克模型解释了许多实验事实，因此它提出后受到人们的重视。目前这一理论仍在不断发展，但至今仍未能在实验中找到单独存在的夸克（层子）。

巴耳末(1825～1898)瑞士数学家和物理学家。1849 年获博士学位， 一生主要从事中学教学。他长期致力于原子光谱线的研究。1884 年在巴塞尔自然科学协会的演讲中，他公布了一个关于氢光谱波长的经验公式，形式如下：

2

H = m2 − n2 ·h

其中 H 表示氢原子光谱线的波长，h＝3645.6×10-7mm，n＝2，m＝3，4， 5，等整数，这就是有名的巴耳末公式。由此计算得到的可见光谱的波长和实验值的误差小于 4 万分之一。后来别人推广了巴耳末公式，把 2 换成其它正整数，公式就表示氢原子的其它线系的波长值。这些线系的存在后来为实验所证实，它们存在于氢原子光谱的紫外域和红外域。如 n

＝1 为赖曼系，n＝3 为帕邢系，n＝4 为布喇开系等，而 n＝2 叫做巴耳末系。

巴耳末公式对原子光谱学和原子理论的发展起了重大的推动作用。

汤姆孙(1856～1940) 英国物理学家。他一生从事物理研究工作， 并取得重大科研成果，为开辟近代物理学新领域做出重大贡献。1908 年获诺贝尔物理学奖。

汤姆孙最重要的贡献是发现电子。当时低压气体放电现象引起许多物理学者的兴趣。汤姆孙提出阴极射线可能是质量和线度小于原子的粒子射线的设想。为了证实这个假想和弄清楚这些粒子的物理性质，汤姆孙做了一个决定性的实验。他测定阴极射线受一定强度磁场作用弯折后所显示的曲率半径。另外采用静电偏转力与磁场偏转力相抵消的方法确

定粒子的速度，由此得到粒子的荷质比 e／m 约为氢离子的 eH／mH 值的2000 倍。根据这种粒子的电荷 e 与氢离子的电荷 eH 相同，其质量 m 微小程度是显而易见的，而且对于固体物质它有一定的穿透力，可见这种粒子的线度也是极小的。汤姆孙还进一步发现，不论阴极射线管内的剩余气体是何种气体，电极是什么材料制成的，e／m 值都相同。这就令人深信，这种带负电的粒子是组成一切原子的基本微粒。当时汤姆孙把这种粒子叫微粒，后人把它命名为电子。电子的发现为人类探索原子内部结构开辟了新的领域。

汤姆孙的另一个重要贡献是发明了研究极隧射线时发展起来的质谱方法，后经改进发展成为今天的质谱仪。并第一次用物理方法分离出同位素。

薛定谔(1887～1961) 奥地利物理学家，波动力学的创始人。

薛定谔于 1910 年毕业于维也纳大学并获得博士学位。毕业后他先后在大学和科学院从事物理研究工作。从 1925 年下半年起，他在 A．爱因斯坦关于单原子理想气体的量子理论和 L.V 德布罗意的物质波假说的启发下，从经典力学和几何光学间的类比，提出了相应于波动光学的波动力学方程。他在 1926 年初先后发表了 4 篇论文，系统地阐明了波动力学

理论，奠定了波动力学的基础。为此，他与 P.A.M.狄喇克共同获得 1933 年的诺贝尔物理学奖。

薛定谔在晚年特别热衷的是把爱因斯坦的引力理论推广为一个统一场论，但也没有取得成功。

薛定谔对哲学和生命科学有着浓厚的兴趣。先后著有《科学和人文主义——当代的物理学》和《生命是什么？——活细胞的物理面貌》。后者使他成为今天蓬勃发展的分子生物学的先驱。

玻尔(1885～1962) 丹麦著名的理论物理学家，哥本哈根学派的创始人。玻尔于哥本哈根大学毕业后，先后在英国剑桥大学和曼彻斯特大学从事科学研究工作和学术领导工作，是 E．卢瑟福的高材生。从 1912 年到退休为止，玻尔除在科学研究中作出重大贡献外，还积极倡导学术中心，热心培养发现人才，使他成为卓越的科学工作领导者和组织者， 是青年科学工作者的良师益友。玻尔在科学研究上的重大贡献有：①在普朗克量子假说和卢瑟福子原子行星模型的基础上，于 1913 年发表了不朽的长篇论著《论原子结构和分子结构》，由此建立起来的原子的量子论，首次打开了人们认识原子结构的大门，开辟了近代物理发展的广阔前景。玻尔的理论对氢原子光谱的频率规律作了圆满的解释。1918 年玻尔又提出对应理论，结合他人的研究成果，对各种元素的光谱、X 射线谱等都作了相对合理的理论诠释。玻尔的这些成就使他获得 1922 年的诺贝

尔物理学奖。②于 1927 在分析量子力学的哲学涵义的基础上提出了“互补原理”，指出了物理领域中的变化如何深刻地影响了人们科学观的观点。玻尔认为，各种实验取得的数据不能纳入单一图景，只能认为是互相补充构成现象的总体。这个原理为科学家们普遍接受。③1936～1939 年玻尔为了说明原子核裂变的机理，提出和改进了原子核结构的液滴模型，为这一领域的理论研究奠定了基础。

玻尔同时又是一位卓越的科学研究工作的组织者和领导者。1921 年创建了哥本哈根大学理论物理研究所，先后造就了一批出色人才，其中

有 10 名曾获诺贝尔物理学奖。成为举世闻名的“哥本哈根学派”。

玻尔一生爱好和平，崇尚民主，反对侵略，先后得到各国政府和学术团体授与的许多荣誉和头衔。玻尔曾访问过中国，同中国人民建立了十分友好的情谊。

居里夫妇 指世界科学史上两对著名的科学家。他们是皮埃尔·居里和玛丽居里夫妇，约里奥居里夫妇。

皮埃尔·居里(1859～1906)法国物理学家和化学家。玛丽·居里(1867～1934)法国物学家和化学家。后者就是人们常称的居里夫人。两人于 1895 年结婚，婚后共同致力于放射性物质的探索与研究，相继发现钋、镭，并发现它们也具有放射性。他们发现相同质量的镭比铀的放射性大 200 万倍。为此于 1903 年与贝可勒尔共同获诺贝尔物理学奖。1906 年 P·居里去世后，居里夫人继续从事放射性物质的研究。1910 年她的重要著作《放射性》一书出版。同年她在 A.L.德比埃的协作下，提炼出金属态镭并确定镭的原子量及其在元素周期表中的位置。为此，居里夫人于 1910 年获得诺贝尔化学奖，使她成为第一个两次获得诺贝尔奖的人。居里夫人忘我的献身精神、严格的科学态度及她的巨大成就，受到世界科学界的广泛崇敬。元素周期表中的 96 号元素锔（Cm），就是为纪念她和她的丈夫而命名的。

约里奥·居里 F·(1900～1958)是居里夫人的女婿，约里奥·居里I．(1897～1956)是居里夫人的女儿。他们于 1926 年结婚，都是法国著名的物理学家。他们在原子核物理学方面有着重大贡献。1932 年他们合作，用放射性元素钋所产生的α射线轰击铍、锂、硼等轻元素，发现了前所未有的穿透极强的所谓铍辐射。同年经查德威克的研究，确定为中子。约里奥·居里夫妇最主要的贡献是发现人工放射性。1934 年，他们用α粒子轰击铝时首次产生了人工放射性元素，经化学分析证明为天然不存在的磷（³⁰P），它放出正电子（ ⁰e）进行β衰变，成为稳定的元素

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硅( ³⁰Si)。他们用α粒子轰击硼和镁，最后也得到稳定的碳(¹³ C) 和铝( ²⁷

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AL)。这个发现十分重要，它表明，放射性同位素可以人为产生，即用α 粒子轰击稳定元素，生成不稳定的放射性同位素，这种不稳定的元素放出某种粒子（电子、正电子、γ射线）后，衰变成另一种稳定的元素。这一重大发现，使夫妇俩获得 1935 年的诺贝尔化学奖。成为世界知名的物理学家。