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1、厦门市东山中学校本课程教材神奇的死光激光写真(高一年选修课程)詹彬彬 编光巨大的发光体太阳太阳最明显的特征就是能发出非常明亮的光，当它直射时，我们会感觉非常热。太阳作为一个硕大的光体可分为三个部分：光球、色球和日冕。光球的下面是太阳的内部，我们是看不见的。光球只有400 多千米厚。观看色球的最好机会是在日全食。当月亮恰好遮住光球时，可以看见色球的表面并不平整，有许多细小的“火舌”，好像一片“燃烧的草原”。对于日冕的观测只是20 世纪30 年代以后的事。日冕可分为内冕和外冕，它的物质非常稀薄，这也是对它进行观测的困难之所在。在光球层中，有一种很重要的现象，这就是太阳黑子的爆发。关于它，中国有最早
2、的和最完整的记述。黑子并不影响太阳的光芒。之所以称为“黑子”是因为它的温度比背景要低2，000 度左右。色球层中活动最剧烈的是“耀斑”，也称作“色球爆发”。它释放的能量是非常巨大的。太阳发出光和热，对地球来说是至关重要的。聪明的古人用太阳光为人类做许多事，包括把它当作武器使用，来打败敌人。公元前3 世纪，意大利的西西里岛上有一个属于希腊的叙拉古王国。岛上有一位著名的科学家，他就是阿基米德。他是实验物理学的奠基人之一，在古代物理学发展中做出过杰出的贡献。当时，希腊王国与罗马王国正处于战争状态。罗马舰队是一个强大的舰队，如何有效地摧毁敌舰呢？阿基米德的方法十分巧妙和科学。他让一些妇女每人手擎一面镜
3、子。当罗马舰队出现时，阿基米德指挥妇女们利用镜面反射阳光到罗马舰船上。他高喊着：“让镜子的反射光照到这里。”不久，罗马舰船竟被这些反射光点燃，顷刻之间形成熊熊烈火。这就是传说中世界有名的“火镜战”，是否真有其事，现在无从考证，但其科学原理，却是完全正确的。光的本质我们从出生起，就与光有千丝万缕、不可断绝的联系，但光究竟是什么呢？距今300 多年前，赫赫有名的英国物理学家兼数学家牛顿创立了光学这门学科。当时，牛顿认为光是由一种弹性小球组成的。这就是所谓的光的微粒说。光的微粒说可以解释光的反射和光的折射现象。对于光的反射现象，可以设想打弹子球的情形。当弹子球在行进过程中撞到边框上就会被弹回。光的反
4、弹也是这样，光的粒子投射到像镜子那样光滑的表面就可以单向反射。对于光的折射现象，牛顿也提出了解释。按照万有引力定律，当光从光疏物质（如空气）进入光密物质（如水或玻璃）时，由于是两种不同的光媒质，它们对光的吸引作用就有差别。一般来说，光密物质密度较大，它对光的吸引作用强些；光疏物质密度较小，它对光的吸引作用弱些。这样，光束由空气进入水或玻璃中时，就会折向密度较大的水或玻璃的一侧。光的微粒说在解释一些光的色散问题时遇到了困难。跟牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯，提出了完全不同的另一种学说光的波动说。他认为光与声音一样，都是一种空气振动过程，这种振动像水波那样是一波接一波传递的。这就是光的波动说。两位
5、科学家各持己见，互不相让。当时牛顿在科学界的威望要比惠更斯高，所以大多数人附和牛顿的看法，于是微粒说占了上风。1864 年，英国物理学家麦克斯韦在仔细研究了光波后指出：光波是与无线电波、X 射线以及射线一样的电磁波，它们之间的区别仅仅是波长不同。无线电波一般以米为单位，光波则比无线电波要短得多。这样，麦克斯韦使光的波动说被大家承认。这种光的波动理论，虽能比较满意地解释光在传播过程中产生的反射、折射和干涉现象，但却解释不了光电效应。德国大名鼎鼎的物理学巨匠爱因斯坦于1905 年提出了光子说。光子说认为，光能是聚集成一份一份的，以不连接的形式在空中传播。每一份光叫做一个光量子。光量子既是一种微粒，
6、又是一种电波。光子说把几百年来争论不休的两种观点，即光的微粒说和波动说统一了起来。今后对光的本质很可能还会有新的认识。但到目前为止，光子说是最完美的解释。光合作用在自然界中，动物（包括人）有素食动物（如牛、马、羊、鹿、猿等），也有肉食动物（如狮、虎、狼、熊等），但多数的动物是素食动物。多亏素食动物居多，如果肉食动物太多，可能动物界早就消失了。植物为素食动物提供了大量的食物，在今天它也为环境的美化和保护起着重要作用。植物同动物不一样，它要用二氧化碳和水来制取蛋白质、脂肪和碳水化合物。而制取这些营养物质还需要能量的输入，这种能量就是日光。绿色植物把阳光的能量转变成复杂化合物的化学能。这是德国化学家
7、迈尔于1845年最先提出的。迈尔也是最早提出能量守恒原理的科学家之一。绿色植物利用阳光把二氧化碳和水转变成化学能的过程叫做光合作用。18 世纪，英国生理学家黑尔斯提出，植物主要是用空气来制造所需物质的。半个世纪后，荷兰医生英根洛斯证明，空气中的营养成份是二氧化碳，并且要有光的参与。英国化学家普里斯特利还搞清楚的是，绿色植物还会放出氧气。这样，科学家大致搞清楚了光合作用的过程。即在阳光下，植物摄取二氧化碳，把二氧化碳与水化合，放出氧气，同时制成机体的组织。据估计，地球上绿色植物每年能利用二氧化碳中的1，500 亿吨碳和水中的250 亿吨氢，并释放出4，000 亿吨氧。如此庞大的工作量，有10是由
8、陆地绿色植物完成的，另外90则是由海洋内单细胞植物和海藻完成的。通常，光合作用的过程大体分为三步。首先，植物吸收阳光，植物体中的叶绿素、类胡罗卜素等色素将太阳的能量加以吸收和传递。其中叶绿素是光合作用的基础，它是法国人佩尔蒂埃于1817 年分离出来的。1865 年，德国植物学家萨克斯又发现了叶绿体，叶绿素只局限在叶绿体内。然而，到1954年，美国生物化学家阿诺恩方从菠菜叶中得到完整的、能进行全部光合反应的叶绿体。阳光能量的传递过程是以诱导共振方式进行的，它有些类似声学的共鸣。当两个颜色相近的色素分子彼此靠近，就能发生光能的传递。最后，植物所吸收的光能都汇集到叶绿素中少数作用中心，它们把光能利用
9、起来。第二步是，将吸收到的光能转变为化学能。叶绿素可将得到的光能用来把水分解为氢和氧原子。其中叶绿素所起的作用是催化作用，这种作用也叫做“光分解作用”。这是日光的辐射能转变为化学能的方式，这时氧分子和氢分子所含的化学能，比产生它们的水分子所含的化学能要多。一般来说，水分子分解为氢和氧的条件是，通电或加温至2，000 度。而叶绿素在常温下就可以做到，而且它利用的是阳光的能量。通常，植物利用它吸收光能的效率至少是30；也有人认为，在理想的情况下可达100。第三步是，同化二氧化碳，使它变成有机物质。它的同化途径很复杂，是一个头绪众多的大循环，一般称为光合碳循环。这个循环的细节还有一些不清楚的地方。人
10、们只知道，这个循环不但可以形成碳水化合物，而且一些支路使光合作用所生成的中间产物直接转化为氨基酸、有机酸，进而用于生成蛋白质和脂肪等。总之，光合作用是光引起的一种生物效应，它可以把光能转换成生物化学能贮存在生物体内。激光和激光器激光技术的先驱者汤斯汤斯，1915 年生于美国北卡罗来纳州格林威尔。16 岁就进大学攻读物理学和语言学，24 岁那年获得物理学博士学位。汤斯几乎对每样事件都感兴趣，他是一个达芬奇式的人物一位多才多艺的科学家。他除了以物理学家和教授闻名外，也是一位潜泳运动员、旅行家、兰花栽培家和语言学硕士，他还是教学唱诗班的歌手，曾当过哥伦比亚大学附近一所教堂的执事。汤斯一踏上社会，就碰
11、上第二次世界大战。那时，整个国家都忙于为战争服务。年轻的汤斯一心想从事理论物理学的研究，却找不到相应的工作。最后他只得进一家电气公司，当一名雷达工程师。雷达工程师的职责范围是研究雷达整体结构和工艺的设计，而不是搞纯理论的研究。但是，汤斯的才能并没有因此而被埋没；战争需要雷达，而制造先进的雷达需要扎实的微波电子学知识。于是汤斯开始悉心钻研微波电子学。不久他就成了一位精通微波电子学的专家，发明了第一台微波激光器。成功是从一次失败的实验开始的。第一次世界大战时，飞机速度慢，发动机的声音响。防空部队靠耳朵听飞机响声来判断有无敌机入侵。开始时，请听觉特别灵敏的盲人监听。后来改用装有大喇叭的听音器来侦察敌
12、机的来去。第二次世界大战期间，飞机的飞行速度大大提高了，差不多可以达到声音速度的一半。用听声音的方法来侦察敌机实在太慢，往往听到飞机马达轰鸣声时，敌机就快到头顶上空了。因此，各国都集中科学家加紧研究制造当时刚诞生的电子防空设备雷达。雷达的核心部分是微波振荡器，它产生频率极高的电磁波，通过雷达天线发射出去，射向目标；目标把射到它表面上的一部分电磁波反射回来，被雷达接收器接收后，在荧光屏上显示出目标的方位和距离。电磁波的传播速度为每秒30 万公里，比当时飞机每小时几百公里的速度不知快多少倍，这就满足了尽早发现飞机的要求；另外靠听音确定飞机的方位是很不准确的，只能知道飞机在某方位几十度的一个大概范围
13、。雷达却能以误差只有几度的精确度测定飞机的具体位置。交战国家都想使自己的雷达性能超过对方的雷达，以便能更有效地对付入侵的飞机，所以千方百计研制新型雷达。改进的途径之一是把雷达的工作频率不断提高。因为当时已出现了能干扰对方雷达的反雷达设备。比如一群飞机飞来，其中一架飞机离开机群很远，上面装着能向对方雷达站发射强电磁波的设备。这种强电磁波信号在对方雷达屏幕上把机群反射的弱电磁波信号掩盖住了，使雷达变成“盲人”，机群就能悄悄地溜进对方上空，这是一种现代电子障眼法。为了对付这种干扰，就要设法让自己的雷达发出的电磁波频率和对方干扰电磁波频率不一样，而雷达接收器对本身发出的电磁波有很高的灵敏度，这样，对方
14、的干扰就不起作用了。因此，需要研究具有新的频率的电磁波。那时，新设计的雷达，工作频率都做得很高，达到1 万兆赫兹，波长3厘米。理论证明：波长短，发射出去的波束就越细，发现目标确定它的位置的精度就能提高。再有，工作频率越高，发射天线可以造得越小，战地使用，把它安装在车辆上，机动性和灵活性提高不少。为了进一步提高雷达的工作频率，美国空军要汤斯研究波长为1.25 厘米的雷达，开拓雷达技术的新领域，利用这种新雷达制造精确的轰炸瞄准设备。汤斯预测波长这么短的电磁波要被空气中的水汽吸收掉，不能用于雷达。试验的结果证明他的预见是对的。但是，汤斯并没有就此止步，而是转过来研究水汽吸收电波的问题。在研究中，他发
15、现氨具有吸收电磁波等一系列现象，从而创立了一门全新的物理学科微波波谱学，这是一把揭开微观世界秘密的钥匙。不久哥伦比亚大学聘请他为物理学教授。当了教授后，他并没有停止自己的研究，而是把目标集中到如何产生毫米波、亚毫米波的问题上。这是当时科学技术上一大难题，还没有人能解决，强烈的求知欲促使他向这一科学技术新领域进军。那时，产生频率高、波长短的电磁波，譬如厘米波、都使用相应的金属作为振荡器的谐振腔；产生波长比厘米波更短的毫米波或亚毫米波，须用比火柴梗还要细的金属盒。最难的是盒子的内壁必须打磨得十分光洁，而这却是当时的工艺水平所办不到的。汤斯遇到难题了。然而，难题的挑战更激起他的兴趣；科学研究从来没有
16、康庄大道，关键是要找到一把克服困难、解决难题的钥匙。他首先从电磁波的波长必然还要向更短的方向发展这个角度考虑：即使能将产生毫米波的金属盒子奇迹般地加工出来，那么以后要产生微米波用的更细更小的盒子又怎么办呢？因此必须从根本上找到一种产生高频电磁波的新方法。一个另辟蹊径的念头在汤斯的头脑里闪过：利用微小的原子结构所固有的频率来产生毫米波。这真是创造性的大胆设想。接下去要做的不仅是要从理论上推导这种设想的可行性，还要用实验来证明技术上也完全是能够办得到的。没有任何现成的实验设备，汤斯便利用原来做微波实验的设备，从研究分子运动产生厘米波着手，鉴定自己所依据的原理和实验方法是否对头，为进一步产生毫米波做准备。1950
