1. 生命之光1.1. 地球随光而生居住在这里的人类依靠光来发现世界1.1.1. 几万年以前钻木取火使人类能够创造1.1.2. 几千年之前铜镜的发明使人类能够控制光的走向1.1.3. 电的出现扩大了人类对光的认知1.1.3.1. 光照射某些物质时可以产生电1.1.3.2. 电通过某些物质时可以发射光1.1.4. 电磁场理论的确立使光是一种电磁波的理念深入人心1.2. 光可以借助半导体材料生电光伏行业因此而生1.3. 电能够经由半导体材料发光将显示照明领域推入巅峰1.4. 光伏与显示照明也是集成电路之外半导体最大的两个应用场景1.5. “光放大”的基础使激光的出现成为必然1.5.1. 激光是半导体制作不可或缺的一环半导体材料也是实现激光最为廉价的手段2. 光学起源2.1. 1000多年以前古人在观测拂晓日出、黄昏日落这些质朴自然现象的过程中形成了对光的基础认知2.2. 春秋战国时期墨子发现小孔成像。在西方欧几里得确立了几何光学的基础2.3. 17世纪上半叶光学正式成为一门科学2.3.1. 斯涅耳与笛卡儿将光的反射与折射现象归纳为反射与折射定律2.4. 17世纪下半叶牛顿发明了反射式望远镜提出了光的色散原理他认为白光由彩虹中出现的所有颜色组合而成并通过棱镜实验证明了这个原理2.4.1. 牛顿在棱镜实验之后便断言了解一个物质的结构仅需要了解这个物质的光谱即可2.5. 英国科学家胡克已经提出光的波动说认为光以波的方式传播2.6. 荷兰的惠更斯发展了胡克理论认为光是一种机械波使用波动说证明了光的反射定律和折射定律解释了光的衍射与双折射等光学现象2.7. 1690年惠更斯提出光的波动原理即惠更斯原理2.8. 19世纪初英国的托马斯·杨进行了著名的双缝实验发现光通过双缝后产生了干涉条纹2.8.1. 随后他用波的叠加原理解释了这一现象提出光是一种波但这个实验结果没有改变粒子说的主流地位2.9. 1814年德国科学家夫琅禾费(Joseph von Fraunhofer)2.9.1. 夫琅禾费线2.10. 1815年法国一位科技爱好者菲涅耳开始了光学之旅2.10.1. 在光学领域有一系列以“菲涅耳”为前缀的术语与仪器包括菲涅耳数、菲涅耳积分、菲涅耳透镜、菲涅耳双面镜、菲涅耳双棱镜、菲涅耳衍射等2.11. 1818年菲涅耳以光的波动说为基础通过严谨的数学推理解释了光的偏振现象推导得出光线通过圆孔后产生衍射图案的精确规律2.11.1. 菲涅耳的理论推导与实验数据十分吻合2.11.2. 光的波动说死灰复燃2.12. 泊松根据菲涅耳的理论得出结论如果将小圆盘放在一束光线中其后的屏幕中心将会出现一个极小的亮斑2.12.1. 这个亮斑就是在光学领域中著名的泊松斑2.13. 1821年菲涅耳进一步提出光是一种横波并基于这个理论圆满解释了光的偏振、反射、折射与双折射提出了菲涅耳公式2.14. 1859年德国科学家本生(Robert Bunsen)和基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)揭开了太阳光谱蕴藏的部分秘密2.14.1. 本生灯2.14.2. 太阳光抵达地球之前穿越了太阳大气层中的钠蒸气也间接证明了太阳中含有钠2.14.3. 基尔霍夫的学生2.14.3.1. 验证了电磁波存在的海因里希·赫兹2.14.3.2. 开创了量子力学的普朗克2.15. 1885年荷兰科学家巴耳末发明了一个公式可以精确计算出这4条氢原子谱线的位置并预测出其他尚未发现的谱线位置这个公式也被称为巴耳末公式2.16. 电磁学在欧洲兴起奥斯特实验建立了电与磁之间的联系2.17. 19世纪末期塞曼在分析钠元素光谱时引入了一个强磁场之后他发现谱线发生了分裂这就是塞曼效应2.17.1. 这个效应是研究原子结构和发光机制的重要工具2.17.2. 洛伦兹解释了塞曼效应并精确测量出电子所带电荷与质量的比值即荷质比2.17.2.1. 这个效应至今还是研究原子结构的重要方法2.18. 赫兹验证了麦克斯韦电磁场理论的正确性2.18.1. 光是一种电磁波的观点已不可质疑2.19. 1900年量子力学理论正式诞生此后光谱分析方法更加成熟逐步成为研究原子、分子、凝聚态等物质微观结构与微观粒子相关作用的主要方法2.20. 普朗克2.20.1. 普朗克回顾了之前的所有公式后发现只要黑体辐射出的能量连续之前出现的公式没有一个是正确的一些公式在某种特定条件之下所得出的结果甚至是荒唐的2.20.2. 普朗克认为能量并不连续是由一份份不可分割的最小能量组成这个最小能量被称为“能量子”​大小等于hν其中ν为辐射电磁波的频率h是普朗克常数2.20.3. 普朗克根据“最小能量子”理论得出了一个全新的黑体辐射公式也被称为普朗克公式合理解释了黑体辐射问题2.21. 1902年Phillip Lenard发现随着光的强度增大所产生的光电子数目也将增多但是光电子的动能却与光的强度无关只与入射光的频率有关2.22. 与光的波动说与粒子说一道发展的还有另外一个重要的光学领域即光谱分析2.22.1. 光谱分析是研究原子结构的重要手2.22.2. 光谱分析不仅是观测微观世界的眼睛还可以用于宏观世界2.22.3. 太阳系与银河系的物质组成、宇宙爆炸学说也是基于光谱分析而提出2.22.4. 在宇宙中每一束光线所包含的信息超过了多数人的想象2.23. 1928年印度科学家拉曼无意中发现当光线照射到物质时除了能够检测到与入射光频率相同的反射光之外还发现了与光源频率不同的其他散射光所形成的光谱2.23.1. 用现代量子力学观点拉曼散射可以简单地理解为光粒子照射到物质的某个粒子后该物质粒子的电子发生能级跃迁而发射出光的过程2.23.2. 散射称为拉曼散射将散射光谱称为拉曼光谱2.23.3. 拉曼光谱可以应用在许多领域包括半导体材料2.23.4. 拉曼也因此获得了1930年度的诺贝尔物理学奖2.24. ​“散布光子捕获光子分析光子”也逐步成为探密物质微观结构的通用方法并延续至今成为一门博大精深的学科2.25. 物质在一定条件作用之下可以发光其中最简单的方法莫过于通过加热为物质提供能量2.26. 不同温度的物体辐射出的光线并不相同2.26.1. 温度高的物体发出的光线越偏近于黄色也越亮2.26.2. 温度低的物体发出的光线越偏近于红色也越暗2.27. 金属能否发生光电效应与光的波长有关与光照时间与强度无关2.28. 爱因斯坦2.28.1. 关于光电效应的解释2.28.2. 至今量子力学与相对论已历经百余年的发展我们对电子和光子的认知也许依然处于初步阶段但却并不影响爱因斯坦所创造的这一理论可以完美地解释光与电之间的联系2.28.3. 在爱因斯坦提出这些理论不到50年的时间里出现了若干个与光电相关具有深远影响的应用领域包括光伏、显示与LED(Light Emitting Diode)照明、激光等2.29. 带着质疑美国物理学家密立根在三年艰苦的证伪过程中一步步成为光电效应学说最坚定的支持者2.29.1. 1914年他证实了爱因斯坦光电效应方程的正确性之后又测量出普朗克常数h的数值2.30. 1923年美国物理学家康普顿发现X射线与电子相遇发生散射时在散射光中除了有原波长的X射线之外还产生了大于原波长的X射线2.30.1. 波长的增量随着散射角的不同而变化这种现象被称为康普顿效应