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第二章《光现象》一、光的直线传播1、光源：定义：能够发光的物体叫光源。
分类：自然光源，如太阳、萤火虫；人造光源，如篝火、蜡烛、油灯、电灯。
月亮本身不会发光，它不是光源。
2、规律：光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。
3、光线是由一小束光抽象而建立的理想物理模型，建立理想物理模型是研究物理的常用方法之一。
☆为什么在有雾的天气里，可以看到从汽车头灯射出的光束是直的？答：光在空气中是沿直线传播的。
光在传播过程中，部分光遇到雾发生漫反射，射入人眼，人能看到光的直线传播。
☆早晨，看到刚从地平线升起的太阳的位置比实际位置高，该现象说明：光在非均匀介质中不是沿直线传播的。
4、应用及现象：① 激光准直。
②影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影子。
③日食月食的形成：当地球在中间时可形成月食。
如图：在月球后1的位置可看到日全食，在2的位置看到日偏食，在3的位置看到日环食。
④小孔成像：小孔成像实验早在《墨经》中就有记载小孔成像成倒立的实像，其像的形状与孔的形状无关。
5、光速：光在真空中速度C=3×108m/s=3×105km/s；光在空气中速度约为3×108m/s。
光在水中速度为真空中光速的3/4，在玻璃中速度为真空中速度的2/3 。
二、光的反射1、定义：光从一种介质射向另一种介质表面时，一部分光被反射回原来介质的现象叫光的反射。
2、反射定律：三线同面,法线居中,两角相等,光路可逆.即:反射光线与入射光线、法线在同一平面上，反射光线和入射光线分居于法线的两侧，反射角等于入射角。
光的反射过程中光路是可逆的。
3、分类：⑴ 镜面反射：定义：射到物面上的平行光反射后仍然平行条件：反射面平滑。
应用：迎着太阳看平静的水面，特别亮。
黑板“反光”等，都是因为发生了镜面反射⑵ 漫反射：定义：射到物面上的平行光反射后向着不同的方向，每条光线遵守光的反射定律。
条件：反射面凹凸不平。
第二章光的衍射§1 惠更斯——菲涅耳原理一、衍射现象即不沿直线传播而向各方向绕射的现象。
定义：光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏上出现光强不均匀的分布现象——光的衍射。
当障碍物或孔隙的线度比波大很多，通常都显示光的直线传播现象。
声波和水波的衍射可常见。
例：人在房间说话，另一房间的人能听见。
又,把杨氏装置中的两孔之一遮蔽，使光束通过单孔照射，仔细观察，屏上明亮区比直线传播所估计的要大且出现明暗不均匀的现象。
二、惠更斯——菲涅耳原理惠更斯：任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源,各自发出球面次波，在以后时刻,所有这些次波波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。
原理较粗糙,不能解释干涉、衍射甚至还有倒退波的存在。
它不涉及波的时空周期特性——位相、波长、振幅，而衍射现象有明暗相间的条纹出现。
波动有两个基本性质：（1）振动在空间的传播；（2)具有时空周期性，能够相干迭加。
“次波”概念反映前一基本性质,也是成功之处。
但当时对波动性认识肤浅，惠更斯并不知光速有多大，只把光看成空气中的声波（纵波）,其“振动”也是非周期性的无规则脉冲，因而原理中并没反映出波的时空周期性.菲涅耳的改进因牛顿威望极高，微粒说影响极大,光的波动理论停滞不前，几乎过了一百年，到了十九世纪，杨反用波的迭加原理解释了薄膜的颜色，首先提出“干涉"一词概括波与波的相互作用，为了验证自己的理论,做了一个双缝干涉，即杨氏干涉实验，他并对出现于阴影边缘附近的衍射条纹给出了正确解释，但这些富有价值的光学研究并没被重视，直到1818年，在巴黎科学院举行的以解释衍射现象为内容的有奖竞赛会上，年青的菲涅耳出人意料地获胜，才开始了光的波动说的兴旺时期，那次竞赛会上,评委中有许多著名的学者，如毕奥、拉普拉斯、泊松，他们都是微粒说的拥护者,竞赛题目的具体表达式带有明显的有利于微粒说的倾向性.然而,菲涅耳吸收了惠更斯的次波概念，阐述的次波相干迭加的新观点具有极大说服力，使反对派马上接受了，会后泊松又仔细审核菲涅理论，并用圆盘衍射，屋圆盘中心轴线上应有亮斑，看来似乎不可思议离奇的结论，不久，在实际中阿喇果果真发现了这一惊人的理论，这一发现对惠——菲原理是十分有力的支持. 惠-—菲原理:波面上每个面元ds 都可看成是新的振动中心，它们又发出次波,在空间某一点p 的振动是所有这些次波在该点的相干迭加。
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1、光的波粒二象性：光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。
光子的能量与光的频率成正比。
光子能量公式：ε= h ν
光子动量公式：p = h ν/c = h/λ
h ：普郎克常数 h=6.62*10-34 J.s
上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量与动量），等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。
2、光度量与辐射度量的区别：光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量。
以人的视觉习惯为基础建立。
辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算。
主要用于X 光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射，使用参量为辐射度量。
光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。
3、辐射度量的五个基本参量：
（1）辐射通量（Radiant Flux ）：
在单位时间内通过某一特定面积的辐射能。
辐射通量也可称为辐射功率（用P ） 或辐射能流
单位为W
（2）辐射出射度Me （Radiant Flux Density ）:
简称辐出度，又叫辐射通量密度。
它是描述源表面辐射功率分布情况的量。
辐出度是指单位面积内向半球空间辐射的功率。
单位是W ／m2
辐射强度和辐射亮度是描述源的辐射功率在空间不同方向上的分布情况。
辐射强度用于点辐射源(简称点源>10倍)，辐射亮度用于扩展源(或称面源）。
（3）辐射强度Ｉｅ（Radiant intensity ）
点光源辐射功率在空间分布情况。
从一个点源发出的，在单位时间、单
位立体角所辐射出的能量称为辐射强度。
单位为Ｗ／ｓｒ
（4）辐射亮度Ｌｅ（Radiance ）
辐射亮度是辐射源每单位面积上的辐射强度。
表征单位面积的辐射表面所发射的通量的空间分布。
辐射亮度等于该方向上的辐射强度dIe 与辐
/e e dQ dt
Φ=/e e M d dA =Φ/e e I d d =ΦΩ
射表面在该方向垂直面上的投影面积之比。
单位是W ／m2·sr
（5）辐照度（Irradiance ）
辐照度是投射到表面单位面积上的辐射功率。
单位是W/m2
4、辐射体：光是电磁辐射波谱的一部分，是一种电磁波的辐射能。
本身发射辐射能的物体，成为一次辐射源。
受别的辐射源照射后透射或反射能量物体，成为二次辐射源。
两种辐射源统称辐射体。
它可以是实物，也可以是实物所成的象。
立体角：立体角的顶点为球心，作一半径为r 的球面，立体角的边界与球面相交所截面积dS 与r2之比定义为立体角的大小。
朗伯源：Ｌｅ的数值与辐射源的性质有关，并随给定方向而改变。
若Ｌe 不随方向改变，则Ie 正比于cos θ。
满足
Ie=I0cos θ
的特殊光源称为余弦辐射体，又称为朗伯体或均匀漫反射体。
朗伯源辐出度与辐射亮度的关系：
（5）视见函数：人眼的相对灵敏度称光谱光视效率或视见函数。
人眼对λ=555nm 的绿光最灵敏
/(cos )e e L dI dA θ=/e e E d dA =Φ2/2e 002L cos cos sin e e M d d d L πππθϕθθθπ=Ω==⎰⎰⎰球面度()(555)1V V λ==
5、（1）光通量Ф
是辐射能通量的光量度，是光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值，即若干辐射能相当于多少光。
单位lm
（2）发光强度I ：光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量。
单位为坎德拉cd
对555nm 波长，1lm 光通量相当于0.00146W 的辐射能通量
（3）光照度E ：光源发出的光投射到某表面，该表面上的亮暗程度,单位
勒克斯lx
780,,380()()m e m e K V d K V d λλλλλλλΦ=Φ=Φ⎰⎰683/m K lm W =11/683lm W
=
若是点光源照明某个面积，有
1. I越大则 E 越大；
2.R 越大则 E 越小；
3.与方向有关，当i =0 即垂直照明时E 最大；
4.人眼具有分辨 E 大小的能力
（4）光出射度：光源表面给定处单位面积向空间内发射的光通量
单位lm/m2
（5）光亮度：光源表面一点处的面源dS在给定方向上的发光强度dI与该面源在垂直于给定方向的平面投影面积之比。
单位：cd/m2
7、半导体的基本特性
1）热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。
2）光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化
3）掺杂性：纯净的半导体中掺入微量某些杂质，导电能力明显改变8、能带理论
离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化，电子的共有化使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带
能带分为：禁带、导带、价带
价带：原子中最外层的电子称为价电子。
价电子填满的能带，称为价带。
导带：价带以上的能带基本上是空的，价带以上能量最低的允许带称为导带
禁带：价带与导带之间的区域称为禁带。
绝缘体禁带较宽，价带被电子填满，导带是空的；半导体与绝缘体类似但禁带较窄；导体价带与导带相重叠。
9、本征半导体：结构完整、纯净的半导体称为本征半导体
N 型半导体：向本征半导体中掺入少量的 5 价元素。
特点：多子为电子、少子为空穴。
P 型半导体：向本征半导体中掺入少量的 3 价元素。
特点：多子为空穴、少子为电子。
10、PN结的形成过程
P型与N型半导体中的多子由于浓度差而扩散，在两半导体交界处相互中和形成空间电荷区，内电场阻止多子的扩散促使少子漂移，达到动态平衡时，PN结形成。
11、外光电效应（光电发射效应）：当光照射到物体上使物体向真空中发
射电子,这种效应多发生于金属和金属化合物。
外光电效应的两个基本定律：
1、光电发射第一定律——斯托列托夫定律：当照射到光阴极上的入射
光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比
2、光电发射第二定律——爱因斯坦定律：光电子的最大动能与入射光
的频率成正比，而与入射光强度无关
光电发射大致可分三个过程：
1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高
于真空能级的激发态。
2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电
子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。
3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的
束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。
内光电效应：物质受光照后产生的光电子只在物质内部运动，而不逸出物质外部的现象
光电导效应: 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。
•半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；
•有光照时为亮态，此时具有亮电导。
•如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之
分。
•亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。
光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。
光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化．
热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象．
辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象．
温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流．。
