同步辐射:从发现到科学应用

第1章 光的故事 　　人类文明的发展，始终与光相伴。从电灯、X光到激光，更亮、更强的光源照亮一个个研究领域。迅速发展的同步辐射，更是凭借其无可比拟的优异特性，成为人们进一步探索微观世界的“眼睛”。 　　1.1 什么是光：物理史上的百年争论 　　光的利用和开发是人类文明史的一部分。人们对光的认识经历了直观体验和科学认知两个阶段。春秋战国时期，墨子在《墨经》中（图1.1）描述了光沿直线传播的现象：“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上；*蔽上光，故成景于下。在远近有端，与于光，故景库内也。” 　　1.1 墨子及《墨经》[1] 　　17世纪，科学家对“什么是光”这一问题的认识逐渐过渡为实验论证的科学认知阶段。以艾萨克 牛顿（Isaac Newton）为主的学派（粒子说）认为光是一种具有一定大小的粒子，然而以克里斯蒂安 惠更斯（Christiaan Huygens）为主的学派（波动说）则认为光是一种具有一定波长的以太波。牛顿详细地描述了光的叠加和重合，从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环实验及衍射等现象，然而波动说无法解释这些现象，因此粒子说取得了早期的胜利[2]。 　　1801年，托马斯 杨（Thomas Young）的杨氏干涉实验为波动说奠定了坚实基础。1819年，奥古斯汀-让 菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）*次测量了光的波长，解释了光的干涉、衍射现象。菲涅耳的理论为波动说提供了有力证据。 　　1864年，詹姆斯 克拉克 麦克斯韦（James Clerk Maxwell）认为光是一种特定波长的电磁波，*次将光和电磁波统一起来。1888年，海因里希 鲁道夫 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）用一系列实验论证了光是电磁波的理论，并提出了电磁波是光的假说。 　　19世纪末，经典物理学遇到了一些无法解释的现象，如黑体辐射、康普顿效应、光电效应等。为了解释这些现象，马克斯 卡尔 恩斯特 路德维希 普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）*次提出量子理论，认为物质吸收或发射的能量是由一定大小的单元组成，是一份一份的。 　　1905年，阿尔伯特 爱因斯坦（Albert Einstein）从普朗克的量子假设出发，认为光是由具有一定能量的光子组成的。光与物质碰撞时，损失的能量只能是光量子的整数倍。1909年，爱因斯坦*次提出光既是一种波也是一种微粒的理论，认为光既有波动性也有粒子性。 　　1.1.1 光的邂逅 　　光的干涉 　　托马斯 杨在研究牛顿环的明暗条纹时，发现波动说可以解释干涉现象。他认为光波和世间万物一样具有加和性：如果两列波正好波峰对波峰时，累加的结果就是原来的两倍峰强；同理，两列波正好波峰对波谷时，两列波就会相互抵消（图1.2）。基于此，他利用两个小孔把一束光分成了两束波长相等、相位不同的相干波，设计了著名的杨氏干涉实验（图1.3）。 　　图1.2 波的叠加 　　图1.3 杨氏干涉实验[3， 4] 　　此外，分振幅干涉法也是获得相干光的一种方法。这种方法利用光的反射和折射把一束光分解成两束或多束光，然后再叠加。由于人们在薄膜上观察到了分振幅干涉，所以分振幅干涉又被称为薄膜干涉。 　　光的衍射 　　1690年，惠更斯*次提出波动原理—惠更斯原理，他认为每个波阵面都可以看成产生次级波的扰动中心。1819年，菲涅耳在惠更斯原理的基础上提出了光是一种横波的理论，成功解释了衍射和偏振现象。不久之后，阿拉果设计了圆盘衍射实验，验证了菲涅耳的理论。菲涅耳的理论成为波动说的重要支撑依据，后来人们把这一理论称为惠更斯-菲涅耳原理。人们熟知的小孔衍射就是一种菲涅耳衍射（图1.4）。当一束光穿过圆孔后，就会发生菲涅耳衍射，衍射图样是一系列的同心圆环[3， 4]。 　　图1.4 小孔衍射实验 　　60年后，古斯塔夫 罗伯特 基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）在惠更斯-菲涅耳理论的基础上提出了基尔霍夫衍射理论，与惠更斯-菲涅耳原理相比，基尔霍夫认为任意场点的任一闭合球面都可作为积分面。约瑟夫 冯 夫琅禾费（Joseph von Fraunhofer）根据基尔霍夫理论，发现了夫琅禾费远场衍射。当观测点在远场位置，通过圆孔的衍射波逐渐趋于平面波，衍射图像的大小发生改变。因此将衍射分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两大类。这两类衍射被广泛应用于晶体结构检测。 　　1.1.2 电子的越狱 　　1887年，赫兹意外发现了光电现象。当光照射到金属表面时，部分金属表面的电子会逃离金属表面，这种现象被称为“光电效应”（图1.5）。实验表明了光电效应的基本特征：光能否从特定金属表面轰出电子，取决于光的频率高低。