固体介质中光速减慢现象的研究_范保华
光强相比的归一化光强. 因为探测光的吸收在很窄
的频率范围内 (宽度正比于 1ΠT1 ) 急剧降低 ,在同一
个频率范围内介质的折射率也急剧上升. 这种伴随
着吸收而产生的折射率的急剧变化是一个众所周知
的光学现象 ,它可以由 Kramers- Kronig 关系描述. 由 于 n (δ) 剧 烈 的 谱 线 变 化 , 群 速 折 射 率 ng = n0 + ωd n (δ) Πdδ也就变得很大. 相应的群速度 vg = cΠ
可以得到探测幅度的空间变化 ,如下式 :
99zδε1 = -
1 αδε1 2 1 + I0 ( z)
×1-
2 I0 ( z) [ 1 + I0 ( z) ] [ 1 + I0 ( z) ]2 + (δωT′1 ) 2
.
(6)
若已知红宝石的长度为 l ,入射端光强为 I0 (0)
通过对 (5) 式 、(6) 式进行积分就可以计算出抽运光
cΠ165 的慢光[4] ; Hau 小组利用电磁感应透明 ( EIT) 技术[13] 在玻色 -爱因斯坦凝聚状态下使光速减小到 17mΠs[5] ; Kash 等人用调制技术在铷 (Rb) 蒸气中测到 90mΠs 的群速度[6] ,用类似的方法 Budker 等人得到 了 8mΠs 的群速度[7] . 在 2003 年之前的光速减慢实 验中 ,大部分是利用 EIT 技术在介质的共振频率附 近实现 d nΠdωµ 1 这个条件的. 但是 EIT 技术对实 验条件要求很高 ,装置比较复杂 ,而且介质为气体 , 很难进行实际应用. 除了利用 EIT 技术在介质的共 振区域附近可以实现 d nΠdω µ 1 以外 ,均匀加宽介 质中的烧孔效应也使介质的吸收发生急剧变化 ,由 Kramers2Kronig 色散关系可知此时必然伴随着介质 折射率的急剧变化 (d nΠdω µ 1) ,从而实现介质中的 极慢光速. 利用这种方法 ,2003 年 Boyd 小组在室温 条件下 的 固 体 介 质 中 实 现 极 慢 光 速[8 ,9] . 1967 年 Schwartz 和 Tan[14] 通过求解密度矩阵的运动方程预 言 :在用强光抽运介质的情况下用第二束光来探测 时会产生光谱烧孔现象 ,即使此时介质的加宽机理 是常规的均匀加宽. 后来的研究表明这种烧孔的产 生是由于基态粒子被周期调制的结果 ,调制频率为 抽运光和探测光的拍频. 当拍频频率小于或近似等
慢的关键. 人们很早就认识到 :在共振频率附近介
质的折射率会发生急剧的变化 ,可以实现 d nΠdωµ 1
这个条件. 但是 ,在实现介质强色散的同时伴随着
介质强烈的共振吸收 ,光波很难透过介质 ,因而无法
进行实验观测. 随着电磁感应透明 ( EIT) 技术[12] 的
出现 ,介质的共振吸收得以克服 ,使得介质在共振区 域保留强色散的同时获得高的透射率 ,从而可以观 察到极慢光传输现象. 利用这种技术 , Kasapi 小组 在 10cm 长的铅 ( Pb) 蒸气池里观测到群速度为 vg =
和探测光出射端的光强 :
ln ( I0 ( l) ΠI0 (0) ) + I0 ( l) - I0 (0) = - αl , (7)
ln
δε1 ( l) δε1 (0)
=
1 2
l
n
I0 ( l) I0 (0)
-
1 2
l
n
[ 1 + I0 ( l) ]2 + (δωT′1 ) 2 [ 1 + I0 (0) ]2 + (δωT′1 ) 2
第 54 卷 第 10 期 2005 年 10 月 100023290Π2005Π54 (10)Π4692204
物 理 学 报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 54 ,No. 10 ,October ,2005 ν 2005 Chin. Phys. Soc.
固体介质中光速减慢现象的研究 3
ng 就很低.
这里有一个重要的条件 :抽运光频与探测光频
的拍频应小于等于粒子弛豫时间的倒数 (δ≤1ΠT) ,
只有这样才有适合的振荡发生 ,当激光的调制频率
偏离拍频频率时 ,介质的光谱烧孔效应的效果就会
降低 ,因此由烧孔效应产生的光速减慢现象也会发
生变化. 通过实验发现 ,信号的时间延迟量有很强
的频率依赖性. 当其他条件不变 ,只改变激光的调
10 期
范保华等 : 固体介质中光速减慢现象的研究
4693
于粒子弛豫时间的倒数时 ,抽运光波可以有效地把 瞬态调制的基态的粒子散射到探测波上去 ,从而限 制了探测波的吸收 ,在探测光的吸收线上出现烧孔 , 而且烧孔的宽度正比于粒子的弛豫时间. 这样就在 介质的烧孔区域就同时实现了高透射率和强色散. 1983 年 Hillmand 等人在红宝石晶体中观测到这样 的光谱烧孔[15] ,孔宽为 37Hz. 如此窄的光谱烧孔必 然会导致折射率的急剧变化 ,从而可以极大地限制 光的传播速度.
这里 w 为反转粒子数 , T1 = 2 T′1 是基态的恢复
时间 , T′1 是能级2 E的寿命 , T2 是偶极距的失谐时 间 , w (eq) 是介质热平衡状态下的反转粒子数. 在旋
转波近似条件下 ,相互作用哈密顿量近似为 :
Vba = - μba
e E - iω1 t 1
+
e E - iω3 t 3
关键词 : 光速减慢 , 光谱烧孔 , 红宝石 PACC : 4210 , 4225B , 4265 , 4250
激光是 20 世纪科学史上最重大的发明之一 ,随 着激光技术的发展 ,人们对光以及光与物质相互作 用的本质有了更多更深的理解 ,使光学研究拓展到 非线性领域. 这就使得向传统意义上的光速发起挑 战成为可能. 近年来 ,在控制光波在介质中传输的 速度方面的研究已经成为光学领域的一个研究热 点 ,而且已取得了不少的突破 : 分别实现了超光速 ( vg > c ) [1 —3] , 负 群 速 ( vg < 0 ) 和 极 慢 光 速 ( vg ν c) [4 —9] ,甚至使光速为零[10 ,11] . 特别是在光速减慢 方面 ,由于极慢光速在光信号延迟与光存储等方面 的巨大的应用前景. 从另一方面来讲 ,产生极慢光 速时介质所呈现出的弱光巨非线性效应也为非线性
.
(8)
由此也可以得到探测场的折射率和衰减的表
达式 :
n (δ)
=1
+
α0 cT1 2ω1
1
I0 +
I0
δ ( T1δ) 2 + (1 + I0) 2
,(9)
α(δ)
=
1
α0 +
I0
1-
I0 (1 + I0 ) ( T1δ) 2 + (1 + I0 ) 2
.
(10)
这里 α0 是非饱和吸收系数 , I0 是抽运光强和饱和
由于4 F2 吸收带的寿命很短 ,为了定量描述烧孔 过程 ,我们把红宝石晶体的能及结构简化成二能级 系统. 此时其密度矩阵方程如下 :
ρ·ba = -
iωba +
1 T2
ρba +
i V ba w ,
(2)
w·= -
w - w (eq) T1
-
2i
V ρ ba ab - V ρ ab ba
.
(3)
图 2 红宝石晶体 (Al2O3 :Cr3 + ) 的晶格结构及 Cr3 + 吸收带的能 级图
本文主要阐述了利用均匀加宽介质中的光谱烧 孔技术来实现光速减慢的实验. 利用这种方法我们 用调制的类高斯激光脉冲在室温条件下的红宝石晶 体中观测到了极慢光传输现象 ,实验测得光信号时 间延迟最大为 3163 ±0105ms[16] ,相应的光群速度为
2715 ±015mΠs ,这慢于 Boyd 小组发表的实验结果. 在实验中我们进一步的考虑了激光调制波形以及晶 体的吸收状态对实验结果的影响.
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物 理 学 报
54 卷
其中 I0 ( z) = IΠIsat = κ2 T′1 T2ε20 是人为设定的一个 无量纲的抽运场光强 ,α是非饱和吸系数. 类似的
范保华 掌蕴东 袁 萍
(哈尔滨工业大学光电子技术研究所 309 信箱 , 哈尔滨 150001) (2005 年 1 月 25 日收到 ;2005 年 3 月 24 日收到修改稿)
利用均匀加宽介质中的光谱烧孔效应在红宝石晶体中观测到了最慢为 27155 ±0105mΠs 的极慢光速. 且介质中 光传输的群速度与激光的调制频率 、激光光功率以及晶体的晶格方向有关. 调制频率越低 、相互作用越强 ,介质中 的光速越慢.
制频率时 ,激光信号的时间延迟也会发生明显的改
变. 频率越低延迟时间越大 ,相应地光的群速度就
越低. 本实验中 ,输入激光功率为 125mW ,光束直径
为 5mm ,经透镜聚焦后注入红宝石中的光强远大于
电磁感应透明与光速减慢的研究的开题报告
电磁感应透明与光速减慢的研究的开题报告一、研究背景在近年来，电磁感应透明（EIT）和光速减慢（Slow Light）这两种光学现象引起了学术界的广泛关注。
EIT是一种非常特殊的光学现象，它利用精密叠加的激光束透过光学介质，使一种恒定波长的光束传输过程中消失，然后再出现。
而Slow Light则是指在某些介质中，光速能够减慢下来，从而拥有更长的有效传输时间和更大的能量密度。
这两种现象的发现不仅仅是关于光的本身性质的研究，更为重要的是它们具有重要的应用价值。
二、研究目的本项目旨在研究电磁感应透明与光速减慢这两种现象的本质特性，并通过实验验证理论模型的正确性。
此外，我们还将探索这两种光学现象的应用价值。
三、研究内容1. 研究电磁感应透明与光速减慢的理论基础；2. 设计并综合不同的实验装置，探究两种光学现象的特性和作用机理；3. 对实验数据进行分析与解释，验证理论与实验结果的吻合度；4. 探索电磁感应透明和光速减慢在光通信、量子计算、光存储等领域的应用。
四、研究方法1. 阅读文献与理论学习我们将深入学习电磁感应透明和光速减慢的理论基础，并通过文献阅读和知名学者讲座了解研究现状。
2. 实验设计与实施根据研究目标，设计符合原理的实验方案，并选择合适的实验装置完成实验。
3. 数据分析与处理在实验完成后，对观测到的数据进行分析与处理，验证理论模型的正确性。
五、预期成果1. 对电磁感应透明与光速减慢的本质特性和作用机理有更深刻的认识；2. 验证理论模型的正确性，并为理论发展提供实验数据；3. 探索两种光学现象在光通信、量子计算、光存储等领域的应用；4. 提升学生的研究能力，培养科研意识和创新精神。
六、研究意义电磁感应透明和光速减慢等光学现象具有重要的基础研究价值和现实应用前景，它们能够帮助人们更好地理解光本身的性质，并在光通信、光存储、量子计算等领域提供更高效、稳定和安全的解决方案。
本研究将为进一步研究和应用电磁感应透明和光速减慢提供理论和实验基础支持，为光学研究领域的发展做出贡献。
光在介质里传播为什么会变慢？
光在介质里传播为什么会变慢？用麦克斯韦方程可以解释光为什么在介质中会变慢，因为介质中的磁导率和介电常数不同导致的，但这只是把一个问题转化为另一个问题而已，为什么介质中的磁导率和介电常数会不一样呢？九维空间（物理学博士）：这个问题直接涉及“折射率”在量子层面的起源。
介质中折射率分两种，一种是“相折射率”，用np表示，于是介值中的光速（相速度）vp=c/np。
另一种是“群折射率”，用ng表示，介质中的光速（群速度）vg=c/ng。
对于无色散（色散就是np随光的频率发生改变）介质来说，两者相等。
对于有色散的介质来说:ng=np+w(dnp/dw)w是光的频率。
上面的公式是通过波的最基本性质得出的，所以只要量子层面上能解释相折射率和色散，等同于同时解释群折射率。
在量子光学中，总容易被量子力学描述的系统是激光和二能级原子相互作用系统（比如氢原子的电子基态和第一激发态）。
考虑自发辐射，你会得到一组光学Bloch方程（这个方程是原子钟，冷原子物理，还有很多量子信息研究的物理基础）。
这个方程的密度矩阵解的布局数相干项，虚部对应二能级原子对光的吸收，实部就对应相对介电常数，也就是np2。
布局数相干项本身是频率的函数，所以它的实部同时解释了“相折射率”和“色散”的起源，这也就意味着解释了群折射率的起源。
对于多能级原子系统来说，同样会用光学Bloch方程（只不过更复杂一些），所以原子系统的折射率起源可以在量子层面得到很好解释。
但是在一些凝聚态光学介质中（如玻璃，水等等），情况就复杂的多。
里面除了多能级系统，还存晶格对自发辐射光子的衍射等等一系列过程，因此折射率起源会复杂很多，光学Bloch方程就不够用了。
但原则上都是量子过程，可以从头计算得到折射率，只不过难以列方程和计算。
这就跟量子化学算一些小分子很容易，越大的分子越难算一样。
最后要指出的是，介质中的相折射率和群折射率都可以小于1，这意味着在介质中光无论相速度或群速度都可以大于真空中的光速c，所以这个问题本身就是错的。
光在介质中速度变慢的原因
光在介质中速度变慢的原因光是电磁波，因此在通过介质时，它将受到介质固有物理性质的限制。
这些限制将使光的速度降低，这被称为光在介质中速度变慢的原因。
在这篇文章中，我们将探讨光在介质中速度变慢的原因、对象、过程和多种实际示例。
光在介质中速度变慢的原因在真空中，光的速度是299792458米/秒，但在介质中，光的速度会比真空中慢。
这是因为介质是由原子和分子组成的，而它们与光的电磁性质发生作用。
当光到达介质时，原子和分子会吸收光的能量，使光子在介质中反复被发射和吸收，因此光速变慢。
对象几乎所有的介质都具有这个影响，它包括但不限于：空气、水、玻璃、金属、钻石等。
其中，玻璃是许多实际应用中技术的重要组成部分，例如：光纤通信、显微镜和透镜等。
在这些应用中，如果没有光在介质中速度变慢的现象，这些设备将无法正常工作。
过程将光引入介质的过程可以使用光进入介质的方法：折射和反射。
折射是指光从一个介质传播到另一个介质时，光线的路径弯曲或改变，这是由于光在两个介质间速度不同的结果。
反射是指光从一个介质的界面上反弹回原始介质的现象，这是由于光在界面上反射的结果。
多种实际示例光在介质中速度变慢影响着我们生活中的众多领域。
以下是一些实际示例：1.空气中的光经过曲面时会发生折射，这解释了为什么水中的物体会看起来扭曲，因为光在水中的速度比在空气中慢。
2.这种现象对于海洋生物是非常重要的。
由于水中的光传播比空气中的光慢得多，它们看到的世界与陆上动物所看到的世界非常不同。
3.光在钻石中的速度比在任何其他物质中都要慢。
这是使钻石能够闪闪发光并拥有独特特性的原因。
结论总的来说，光在介质中速度变慢是基于原子和分子的电磁作用。
该现象广泛应用于光学、光纤通信等领域，改变了我们看待世界的方式。
了解光的性质和它在不同介质中的行为是重要的，因为它会直接影响我们的生活和很多实际应用。
固体介质中光速减慢现象的研究_范保华
.
(8)
由此也可以得到探测场的折射率和衰减的表
达式 :
n (δ)
=1
+
α0 cT1 2ω1
1
I0 +
I0
δ ( T1δ) 2 + (1 + I0) 2
,(9)
α(δ)
=
1
α0 +
I0
1-
I0 (1 + I0 ) ( T1δ) 2 + (1 + I0 ) 2
.
(10)
这里 α0 是非饱和吸收系数 , I0 是抽运光强和饱和
光子晶体波导慢光技术
Ｖ０１．４４．Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２００７图ｌ二维光子晶体波导的能带图导硅芯片控制光速传播的影响最大ｆ１引。
２光子晶体波导慢光的产生如果介质的折射率为ｎ，则光在介质中的传输速度为ｃ／ｎ，因此ｎ表示光速的减慢程度。
假设这里是单频连续波，对光脉冲信号，用群折射率来代替ｎ，则群速度的表达式可以写为％＝ｃ／ｎｇ，％由（ｄｋ／ｄｔｏ）一给出，其中光波的角频率为∞，ｋ为波数。
在真空中，Ｙｇ＝Ｃ，因为忌：ｔｏ／ｃ，在反常色散材料中％变得非常大。
图ｌ为光子晶体波导光子带结构，水平轴为主传播方向，纵轴方向为归一化频率ｔｏａ／ｒ２兀ｃ１＝ａ肛。
这里，ａ是晶格常数，而Ａ是真空中对应角频率ｔＯ的波长。
实线代表波导模，它表示光在禁带和泄漏线之间传播，泄漏线以上的区域为泄漏区，进入这个区域的光将在垂直方向泄露ｆ如果在光子晶体波导表面为空气，则有ｏＪ／ｃ：尼１。
如果光子晶体平板是２００～３００ｎｌｔｌ厚，晶格常数ａ是４００～５００ｎｎｌ，那么光的传播波长可以在１．５５ｇｍ附近。
要注意波导带的梯度在带边Ⅵ兀Ｖｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ变为０。
从群速度公式可以看到，在这种情况下群速度％＝０。
这种现象的产生是由于光在光子晶体中传播时不断向前向后发生布拉格反射造成的。
在布拉格光栅和多层堆栈结构里也观察到了类似的现象。
图２显示了光子晶体波导的透射谱曲线【ｉ４Ｊ。
在这个透射谱中由于法布里一珀罗ｆＦ—ｎ谐振而引起振荡，透射谱的峰一峰值间隔△旯朝着带边越来越小。
如果取波导长度为Ｌ，那么群折射率ｎ。
可以由２Ｖ（２Ｌ５２）给定。
根据这个方程可以估算出ｎ。
，图２中在带边附近将超过１００。
然而当ｎ。
变得非常大的时候，透过率也将变得很低，因此慢光很难被观察到。
３测量波导中慢光的主要手段在实验上观察光子晶体平板波导色散现象仍然十分困难【１５Ｉ。
早期，群速度和色散的相关报道都采用间接测量方式［ＩＩＪ，并通常采用相干结构测量。
由于受衍射极限的限制，传统的显微镜无法对波导内的光脉冲进行直接观察。
光波位相耦合色散效应与固态介质中室温下的光速调控
究热潮& 在以后的几年时间内， 人们分别在常温原子
［ 3， 4］ 气体 中 和在超低温固态介质 （ 567 8 ： 9:; 晶 ［ <］ 中分别利用 =>? 效应实现了光速调控甚至于 体）
!! !! I # ! ), I $ & "! I ， !I % !# !"
（2）
光脉 冲 的 存 储 和 再 现& 最 近， @)1A(B% 等
前沿进展
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光波位相耦合色散效应与固态介质中 室温下的光速调控
$， 4 $ 张国权’ ， ! ! 薄! 方’ ! ! 董! 嵘’ ! ! 涂燕飞’ ! ! 许京军’ ， （ ’! 南开大学物理科学学院光子学中心! 天津! "%%%5’ ） （ $! 南开大学泰达应用物理学院! 天津! "%%6#5 ）
摘! 要! ! 文章介绍了作者利用光波位相耦合的色散效应调控光速的新机制， 并利用光折变位相耦合的色散效应在 室温下在 70’$ 89$% 晶体中实现极慢光速和超光速现象- 进一步的研究表明， 在 70’$ 89$% 晶体中传播的、 由位相耦合色散 效应引起的慢光和快光由于光折变光强耦合效应而得到了相干放大关键词! ! 位相耦合， 色散， 光速， 光折变
群速-
’! 引言
光在真空中的传播速度约为 "- % \ ’% U L ] M， 是 物理学基本常数之一- 光速的精确测定对于物理学 有重要的意义， 因此， 人们在很早就开始了光速的测 简 量工作- 光的传播速度实际上有相速和群速之分： 而言之， 相速是指单一频率的光波波前的传播速度， 而群速则是指由许多频率成分组成的光波波包的传 播速度- 光的相速和群速在介质中传播时都将发生 变化， 甚至于可以通过某种技术进行调控- 在本文中 如无特殊说明， 所讨论的光速均指光波波包传播的
2020新课标高考物理二轮课后演练：专题八 近代物理
(建议用时：25分钟)一、单项选择题1．(2019·淄博二模)我国科学家潘建伟院士预言十年左右量子通信将“飞”入千家万户．在通往量子论的道路上，一大批物理学家作出了卓越的贡献，下列有关说法正确的是() A．玻尔在1990年把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念B．爱因斯坦最早认识到了能量子的意义，提出光子说，并成功地解释了光电效应现象C．德布罗意第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念D．普朗克大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性解析：选B.普朗克在1900年把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念，故A错误；爱因斯坦最早认识到了能量子的意义，为解释光电效应的实验规律提出了光子说，并成功地解释了光电效应现象，故B正确；玻尔第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，故C错误；德布罗意大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性，故D错误．2．(2018·高考北京卷)在核反应方程42He＋147N→178O＋X中，X表示的是()A．质子B．中子C．电子D．α粒子解析：选A.由核反应方程中，电荷数守恒和质量数守恒可知，X为11H，选项A正确．3．(2019·青岛二中模拟)2019年夏天，中美贸易之争使国人了解了芯片的战略意义，芯片制作工艺非常复杂，光刻机是制作芯片的关键设备，其曝光系统最核心的部件之一是紫外光源．常见光源分为可见光：436 nm；紫外光(UV)：365 nm；深紫外光(DUV)：KrF准分子激光：248 nm，ArF准分子激光：193 nm；极紫外光(EUV)：10～15 nm.下列说法正确的是()A．波长越短，可曝光的特征尺寸就越小，就表示光刻的刀锋越锋利，刻蚀对于精度控制要求越高B．光源波长越长，能量越大，曝光时间就越短C．如果紫外光不能让某金属发生光电效应，极紫外光也一定不能D．由康普顿效应可知深紫外光通过实物物质发生散射时会出现波长更短的成分解析：选A.波长越短，可曝光的特征尺寸就越小，就表示光刻的刀锋越锋利，刻蚀对于精度控制要求越高，选项A正确；光源波长越长，则频率就越小，能量越小，选项B错误；极紫外光的波长小于紫外光的波长，则频率较大，如果紫外光不能让某金属发生光电效应，极紫外光不一定不能使该金属发生光电效应，选项C错误；由康普顿效应可知深紫外光通过实物物质发生散射时能量变小，频率变小，则会出现波长更长的成分，选项D错误．4．(2017·高考北京卷)2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100 nm(1 nm＝10－9 m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲．大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用．一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎．据此判断，能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，真空光速c＝3×108 m/s)()A．10－21 J B．10－18 JC．10－15 J D．10－12 J解析：选B.光子的能量E＝hν，c＝λν，联立解得E≈2×10－18 J，B项正确．5．(2019·高考物理全真模拟卷)从1907年起，美国物理学家密立根就开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量．他通过如图甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压U c 与入射光频率ν，作出图乙所示的U c－ν的图象，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较，以检验爱因斯坦方程的正确性．已知电子的电荷量e，则下列普朗克常量h的表达式正确的是()A ．h ＝e （U c2－U c1）ν2－ν1B ．h ＝U c2－U c1e （ν2－ν1）C ．h ＝ν2－ν1e （U c2－U c1）D ．h ＝e （ν2－ν1）U c2－U c1解析：选A.根据爱因斯坦光电效应方程E k ＝hν－W 0及动能定理eU c ＝E k ，得U c ＝h e ν－W 0e，所以图象的斜率k ＝（U c2－U c1）ν2－ν1＝h e ，得：h ＝e （U c2－U c1）ν2－ν1，故A 项正确． 6.(2017·高考天津卷)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是( )A.21H ＋31H →42He ＋10nB.147N ＋42He →178O ＋11H C.42He ＋2713Al →3015P ＋10nD.235 92U ＋10n →144 56Ba ＋8936Kr ＋310n 解析：选A.A 项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程，B 项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程，C 项属于原子核的人工转变，D 项属于重核的裂变，因此只有A 项符合要求．7．(2019·济南模拟)核电站泄漏的污染物中含有碘131和铯137.碘131的半衰期约为8天，会释放β射线；铯137是铯133的同位素，半衰期约为30年，发生衰变时会辐射γ射线．下列说法正确的是( )A ．碘131释放的β射线由氦核组成B ．铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量C ．与铯137相比，碘131衰变更慢D ．铯133和铯137含有相同的质子数解析：选D.β射线是高速运动的电子流，不是氦原子核，A 错误；γ射线的频率大于可见光的频率，根据E ＝hν可知，γ射线光子能量大于可见光光子能量，B 错误；半衰期越短，衰变越快，C 错误；铯133和铯137都是铯元素，是质子数相同而中子数不同的同位素，所以D 正确．8．(2018·高考全国卷Ⅲ)1934年，约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝核2713Al ，产生了第一个人工放射性核素X ：α＋2713Al →n ＋X.X 的原子序数和质量数分别为( ) A ．15和28B ．15和30C ．16和30D ．17和31解析：选B.据α粒子和中子的质量数和电荷数写出核反应方程：42He ＋2713Al ―→10n ＋A Z X ，结合质量数守恒和电荷数守恒得，A ＝4＋27－1＝30，Z ＝2＋13－0＝15，原子序数等于核电荷数，故B 正确．9．(2019·咸阳二模)已知基态He ＋的电离能力是54.4 eV ，几种金属的逸出功如下表所示，He ＋的能级E n 与n 的关系与氢原子的能级公式类似，下列说法不正确的是( )A.B ．为使处于静止的基态He ＋跃迁到激发态，入射光子所需的能量最小为40.8 eVC ．处于n ＝2激发态的He ＋向基态跃迁辐射的光子能使上述五种金属都产生光电效应现象D ．发生光电效应的金属中光电子的最大初动能最大的是金属铷解析：选A.根据玻尔理论E n ＝－E 1n2，从基态路迁到n ＝2所需光子能量最小，ΔE ＝E 2－E 1＝34E 1＝40.8 eV ，A 错误，B 正确；从n ＝2激发态的He ＋向基态跃迁辐射的光子能量为40.8 eV ，金属钨的逸出功为7.26×10－19 J ≈4.54 eV ，故能使所列金属发生光电效应，由表中的数据可知金属铷的逸出功最小，故C 正确；根据爱因斯坦的光电效应方程可知道从铷打出的光电子的最大初动能最大，D 正确．10．(2019·烟台二模)下列说法正确的是( )A ．光电效应揭示了光的粒子性，康普顿效应揭示了光的波动性B ．玻尔原子理论提出了定态和跃迁的概念，能解释任何原子的光谱现象C.232 90Th(钍核)经过6次α衰变和2次β衰变后变成208 82Pb(铅核)D ．一群处在n ＝4能级的氢原子，最多可能向外辐射6种不同频率的光子解析：选D.爱因斯坦提出光子假说，认为光子是一份一份的能量，从而建立的光电效应方程很好地解释了光电效应现象；康普顿效应也是揭示了光的粒子性，即光子和石墨中的电子发生相互作用后，光子的频率减小，且运动方向发生改变，满足动量守恒和能量守恒，故选项A 错误；玻尔提出的氢原子能级结构模型，利用定态概念和能级跃迁的规律，只能很好地解释氢原子光谱，但是无法解释其他原子的光谱现象，故选项B 错误；钍核质量数为232，铅核质量数为208，则α衰变次数为x ＝232－2084＝6(次)，β衰变次数为y ，y ＝12＋82－90＝4(次)，故选项C 错误；大量氢原子从n ＝4向低能级跃迁，最多产生C 24＝6种不同频率的光子，故选项D 正确．二、多项选择题11．在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是( )A ．增大入射光的强度，光电流增大B ．减小入射光的强度，光电效应现象消失C ．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应D ．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大解析：选AD.增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积的光电子数增加，则光电流将增大，故选项A 正确；光电效应是否发生取决于照射光的频率，而与照射强度无关，故选项B 错误；用频率为ν的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率较小的光照射时，若光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，故选项C 错误；根据h ν－W 逸＝12m v 2可知，增加照射光频率，光电子的最大初动能也增大，故选项D 正确．12．(2019·高考天津卷)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础．下列关于聚变的说法正确的是( )A ．核聚变比核裂变更为安全、清洁B ．任何两个原子核都可以发生聚变C ．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加解析：选AD.与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，所以核子的比结合能增加，D正确．13．(2017·高考全国卷Ⅲ)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为U a和U b、光电子的最大初动能分别为E k a和E k b.h 为普朗克常量．下列说法正确的是()A．若νa＞νb，则一定有U a＜U bB．若νa＞νb，则一定有E k a＞E k bC．若U a＜U b，则一定有E k a＜E k bD．若νa＞νb，则一定有hνa－E k a＞hνb－E k b解析：选BC.设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有E k＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又E k＝eU，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eU＝hν－W，遏止电压U随ν增大而增大，A项错误；又有hν－E k＝W，W相同，则D项错误．14．(2019·揭阳高三二模)氦原子被电离出一个核外电子后，形成类氢结构的氦离子．已知基态氦离子能量为E1＝－54.4 eV，其能级的示意图如图所示，下列有关描述中正确的是()A．氦离子的能级是分立的B．处于基态的氦离子能够吸收能量为43.2 eV的光子而发生跃迁C．一群处于n＝3能级的氦离子自发向低能级跃迁时能发出3种不同频率的光子D．若从n＝3能级的氦离子向n＝2能级跃迁时辐射的光能使某金属发生光电效应，则从n＝4能级向n＝3能级跃迁时辐射的光，一定能使该金属发生光电效应解析：选AC.由氦离子的能级图知其能量是不连续的，是分立的，A正确；原子或离子吸收光子具有选择性，光子能量应为两个能级的能量差时方能被吸收，由能级图知没有两个能级的能量差为43.2 eV，B错误；由C23＝3知一群氦离子能发出3种不同频率的光子，C正确；由于3、4两个能级的能量差小于2、3两个能级的能量差，因此从4能级向3能级跃迁时辐射的光不一定能使该金属发生光电效应，D错误．三、非选择题15．(2018·高考江苏卷)光电效应实验中，用波长为λ0的单色光A 照射某金属板时，刚好有光电子从金属表面逸出．当波长为λ02的单色光B 照射该金属板时，光电子的最大初动能为________，A 、B 两种光子的动量之比为________．(已知谱朗克常量为h 、光速为c )解析：题意可知，h c λ0＝W ，E k ＝2h c λ0－W ＝h c λ0；光子的动量与其波长成反比，所以两种光子动量之比为1∶2.答案：hcλ0 1∶216．(1)表示放射性元素碘131(131 53I)β衰变的方程是________． A.131 53I →127 51Sb ＋42He B.131 53I →131 54Xe ＋ 0－1e C.131 53I →130 53I ＋10n D.131 53I →130 52Te ＋11H (2)现有四个核反应：A.21H ＋31H →42He ＋10nB.235 92U ＋10n →X ＋8936Kr ＋310n C.2411Na →2412Mg ＋0－1e D.42He ＋94Be →12 6C ＋10n ①________是发现中子的核反应方程，________是研究原子弹的基本核反应方程，________是研究氢弹的基本核反应方程．②求B 中X 的质量数和中子数．解析：(1)碘(131 53I)的原子核内一个中子放出一个电子，变成一个质子，质量数没有发生变化，核电荷数增加1，所以生成54号元素131 54Xe ，放出一个电子，B 选项正确．(2)①人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核．箭头的右边也是常见元素的原子核．D 是查德威克发现中子的核反应方程，B 是裂变反应，是研究原子弹的核反应方程．A 是聚变反应，是研究氢弹的核反应方程．②由电荷数守恒和质量数守恒可以判定，X 质量数为144，电荷数为56，所以中子数为144－56＝88.答案：(1)B (2)①D B A②144 88。
固体物理中的光学性质
固体物理中的光学性质在固体物理领域中，光学性质是一个重要且引人瞩目的研究方向。
光学性质涉及到光的传播、吸收、散射、折射等现象，对于理解固体材料的结构和行为具有重要意义。
本文将简要介绍固体物理中的光学性质及其应用。
一、光的传播速度固体物理中的光学性质首先涉及到光的传播速度。
在真空中，光的传播速度为常数，即299,792,458米/秒。
然而，当光线进入介质中时，由于介质折射率的不同，其传播速度会发生改变。
根据斯涅尔定律，光线在两种介质之间传播时，入射角和折射角之间遵循一定的关系。
这个现象在固体物理中得到了广泛研究和应用。
二、吸收与发射固体物理中的光学性质还涉及到固体材料对光的吸收和发射现象。
在特定波长下，固体材料可以吸收光的能量，导致电子从基态跃迁到激发态。
不同材料对光的吸收和发射的特性不同，这一特性对于光电子器件和光催化反应等应用具有重要意义。
三、光的散射固体物理中的光学性质还包括光的散射现象。
当光线通过固体材料时，会与固体中的原子、离子或杂质发生相互作用，导致光的散射。
根据散射的形式，可以将其分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射不改变光的能量，而非弹性散射会导致光的能量发生改变。
这一现象在材料表征和光学传感器等方面具有广泛的应用。
四、材料的折射率固体物理中的光学性质还涉及到材料的折射率。
折射率是一个描述光在介质中传播行为的重要参数，定义为光在线速度和介质中的传播速度之比。
折射率越大，光在介质中传播的速度越慢。
折射率对于材料的光学性能和光学器件的设计具有重要意义。
五、光学材料的应用固体物理中的光学性质在许多领域中得到了广泛的应用。
例如，在光通信领域，光纤作为一种光学传输介质，其光学性质对于数据的传输速率和传输距离具有重要影响。
在光电子学领域，光学性质的研究和应用推动了光电子器件的发展，例如激光器、光电二极管和太阳能电池等。
此外，光学性质还在材料科学、能源领域、环境监测和医学诊断等方面有着重要应用。
例如，可见光谱技术被广泛应用于材料表征和质量检测领域，红外光谱技术在环境监测和生物医学领域具有重要应用。
肉眼可见的光速变慢的原理
肉眼可见的光速变慢的原理
肉眼可见的光速变慢是指当光在某些特定的介质中传播时，其速度相较于真空中的光速会减慢。
这一现象可以通过光在介质中的相对折射率来解释。
相对折射率是指光在介质中传播时，介质中的光速与真空中的光速之比。
当光从真空中进入介质中时，因为介质中的原子和分子会对光的传播产生影响，使得光的速度变慢。
这是由于光与介质中的原子和分子相互作用，并且被吸收和重新辐射的过程所引起的。
根据电磁理论，光的传播速度与电磁波的介质中的电磁性质有关。
介质中的原子和分子会与电场相互作用，从而减慢光的传播速度。
具体来说，研究光速变慢的原理可以通过经典电磁理论中的介质阻尼和折射率来解释。
介质阻尼是指介质中的原子和分子对光的电磁场能量的吸收和衰减过程。
当光与介质中的原子和分子相互作用时，它们会吸收光的能量，并以其他形式释放出来。
这个吸收和释放的过程会导致光的传播速度减慢。
折射率是描述光在介质中传播时的光速变化的物理量。
折射率是介质中的电磁波传播速度与真空中光速之比。
当光从一个介质传播到另一个折射率不同的介质中时，光速会发生改变。
综上所述，肉眼可见的光速变慢是因为光在介质中与原子和分子相互作用，这会
导致光的速度减慢。
这是由光与介质中的原子和分子相互作用并经历阻尼和折射率变化引起的。
光在不同介质中的速度变化研究
光在不同介质中的速度变化研究光是一种电磁波，无论是日常生活中的光线还是微观世界中的光子，都具有相当的速度。
然而，光的速度在不同的介质中可能会发生变化，这引起了科学家们的广泛关注和研究。
本文将围绕光在不同介质中的速度变化展开讨论，从光的传播性质到基于速度变化所产生的技术应用，全面探究光在介质中的行为。
光的传播是一种波动现象，每个光波通过快速振动产生电磁场，并以波动的形式在空间中传播。
在真空中，光的速度达到了极限值，约为每秒299,792,458米。
然而，一旦光射入介质，其速度将发生变化。
这是因为介质对光有着相应的响应行为，使得光的传播变得非常复杂。
介质中的原子和分子与入射光产生相互作用，这导致光波的传播速度不同于真空中的速度。
一种常见的介质属性是折射率，用来描述光在介质中的传播速度相对于真空的比值。
折射率越大，光的速度就越慢。
例如，玻璃的折射率约为1.5，而水的折射率约为1.33。
这也是为什么我们在看到某些物体时，它们的形状会发生变形的原因。
当光从一种介质传播到另一种介质时，由于折射率的改变，光线会发生折射现象。
折射现象是光在介质间传播时改变传播方向的现象。
这主要是由于光波在物质界面上的传播速度改变所引起的。
熟悉这个现象的人都会知道，在把一根竹棍插入水中时，我们会看到竹棍似乎发生了折断。
这只是由于光在传播过程中的偏折现象而造成的。
光在介质中的速度变化除了引起人们的好奇心，还产生了许多实际应用。
在光纤通信中，光纤通过将光线反复折射来传输光信号。
由于光在光纤中的传播速度比在空气中的速度慢，这样就使得光信号能够在光纤中长距离传输而几乎不受衰减影响。
这种技术广泛应用于电话、因特网和电视信号传输中。
此外，光速变化的研究也为光学成像技术提供了新的思路。
例如，光学显微镜使用透镜将光线聚焦到样本上以获取高分辨率的图像。
然而，由于折射率的存在，光在样本中的传播速度会发生变化，这导致了成像的模糊与失真。
科学家们通过精细调整透镜设计和信号处理算法，可以最大限度地减少由于光速变化引起的成像问题。