基本信息
编辑推荐
综合性大学和理工类、师范类院校物理学和应用物理学专业师生作为教科书，亦可供其它有关专业的师生参考。
内容简介
目录
第二版 丛书序
第一版 丛书序
第二版 前言
第一版 前言
第1章 光的波动模型
1.1 光波
1.1.1 可见光
1.1.2 光波产生的物理机制
1.1.3 产生光波的偶极振子模型
1.1.4 光波的周期性
1.1.5 简谐光波
1.1.6 光矢量
1.1.7 光强
1.1.8 光的传播
1.1.9 光程差与相位差
1.2 简谐光波的数学表示
1.2.1 矢量表示与标量表示
1.2.2 简谐光波的描述
1.2.3 简谐光波按波面分类
1.2.4 光波的复振幅表示
第一版 丛书序
第二版 前言
第一版 前言
第1章 光的波动模型
1.1 光波
1.1.1 可见光
1.1.2 光波产生的物理机制
1.1.3 产生光波的偶极振子模型
1.1.4 光波的周期性
1.1.5 简谐光波
1.1.6 光矢量
1.1.7 光强
1.1.8 光的传播
1.1.9 光程差与相位差
1.2 简谐光波的数学表示
1.2.1 矢量表示与标量表示
1.2.2 简谐光波的描述
1.2.3 简谐光波按波面分类
1.2.4 光波的复振幅表示
书摘
《光学（第二版）》：
2. 荧光辐射
按照玻尔模型，原子吸收能量后可以跃迁到激发态，由于激发态不稳定，所以原子很快会从激发态跃迁回基态或低激发态，在跃迁的过程中，原子多余的能量以电磁辐射的形式释放，这样的过程就是辐射跃迁.跃迁的过程与温度无关，因而这样的过程被称为发光（luminescence）或荧光（fluorescence）.例如，氢原子的Hα线、钠原子的黄线（D线）以及汞灯、日光灯的光谱等都是以这种方式发光的.图1.1.3是产生氢的Hα线（波长约为656.3nm的5条谱线）、钠的D线（波长分别为589.593nm和588.996nm的2条谱线）的能级和跃迁。
图1.1.3氢原子Hα线和钠原子D双线的能级和跃迁
常见的电弧光也是原子的辐射跃迁，电极的间隙很小时，其间的强电场可以将气体电离，电子和正离子在强电场中获得很大的动能，与其他原子碰撞并将其激发，从而导致跃迁发光。
原子辐射跃迁是一种自发过程，光源中的哪个处于激发态的原子在何时跃迁，是完全无法预计的。
光源中原子的数量是十分巨大的.例如，一般的凝聚态物质，原子的数密度约为1020mm-3，因此，即使体积只有1mm3的光源，某一瞬间其中只有百万分之一的原子发光，那么发光的原子数也有1014之多.而每个原子发光的过程又是随机的，因而任何一个实际的光源（激光器除外）在任何时刻所发出的都是数量巨大的、毫无关联的光波。
所以，尽管都是电磁辐射，但是可见光与无线电波有着极大的差别.无线电波都是导体（天线）中的自由电子在外界电磁场作用下振荡而产生的，这是大量自由电子同步的集体行为.可以通过控制加在天线中的电磁场来控制无线电波的发射.例如，通过调整电磁振荡的频率以控制无线电波的频率.而光波的频率高达1014Hz，电子由于有质量而有惯性，不可能以如此高的频率作集体振荡.也正是由于这样的原因，不可能用电子设备以共振的方式直接测量光波的频率.也正是由于产生的机制不同，无线电波的研究方法不能直接应用于光波中。
1.1.3产生光波的偶极振子模型
在量子理论产生之前，荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853~1928）首先提出了原子由于其中电荷振荡而发光的物理模型。
由于原子内部电荷的运动，其中正电荷中心与负电荷中心并不重合，所以可以简单地将原子视为电偶极子.原子若由于某种原因吸收能量，则正负电荷中心之间的距离将会增大，即电偶极矩增大，而库仑引力又能够使两者间距离减小，即电偶极矩减小，于是电偶极子便会产生振荡，从而产生电磁辐射.原子很小，因而原子内部正负电荷间的库仑力很大，振荡过程中的回复力系数k也非常大.若参考弹性振子频率的关系式ν=12πkm，可见这样的电偶极子振动的频率是很高的，所发出的电磁辐射的频率也很高，因而原子振荡所发出的是不同于射频波的光波.这就是原子发光的偶极振子模型.
按照这一模型，发光是原子个体的行为.不同的原子，具有各自的偶极振动固有频率，因而每种原子都有独特的发射光谱.吸收能量而受到激发的原子，在不同的激发态下，偶极矩不同，振荡的模式也会有不同，所以能够发出一系列不同的光谱线.
将发光的机制与射频波产生的机制进行对比，可以看出两者具有显著的不同。
第一，射频波是由于回路中的自由电子集体作受迫振动而产生的，所以一个稳定的振荡回路产生一列稳定的电磁辐射.对于沿z方向传播的射频波，可将其表示为ψ=ψ0cos（kz－ωt+φ0），即一列稳定的射频电磁波，具有稳定的初相位φ0.光波是由于各个原子的自发偶极振荡产生的，每个原子独自振荡，所发出的沿z方向传播的光波，可表示为ψi=ψi0cos（kiz－ωit+φi0）.由于不同原子的振荡没有关联，所以即使这些原子振荡的频率相同，初相位φi0也是随机的.因此，虽然看起来一个稳定的光源发出稳定的光波，但光波其实是由大量的随机的波列组成的，不同的波列由不同的原子发出，不同的波列的相位是随机的、无关联的。
第二，只要回路持续振荡，其所发出的射频波就是一个持续的很长的波列.而光源中的每个原子，每次受激发后，经过短暂的振荡过程，由于将所吸收的能量通过辐射而释放，会停止振荡发光；只有再次受到激发才能进行下一次振荡过程.因而即使是稳定的光源，其中每个原子的发光过程都是断续的，每列光波都是较短的波列.
尽管光波是电磁辐射，但读者一定要对光波与射频波（即普通的无线电波）的上述差别有清醒的认识，否者就很难理解为什么射频波的干涉、衍射很容易产生，而光波的干涉、衍射总需要特殊的装置.也正是因为具有上述的差别，不能将射频波段的电磁波的理论和方法照搬过来分析光波的行为，而要单独建立并发展一套波动光学的理论体系。
读者其实能够意识到，并不能将所有的原子视为电偶极子.所以，关于原子的发光，还有更复杂的磁偶极子模型、电四极子模型等.若采用量子理论讨论原子的发光，则认为原子经历一次跃迁，发出一个光子，这样可以得到更好的结果.不过，按照牛顿的观点，物理学的理论是“自然哲学的数学原理”，物理学的每个分支是以各自的物理模型为出发点而建立起来的理论体系.光子属于量子光学的范畴，在波动光学的理论体系中，采用原子振荡发光的模型，可将光限于电磁波，从而避免引入光子所导致的物理模型的不一致性。
1.1.4光波的周期性
“波是振动的传播”，这是对机械波准确而形象的定义.
在弹性介质中，一个物体如果做往复的机械运动，则将带动其周围的物体一起做同频率的往复运动.这样一来，波源的振动（vibration）就在介质中传播，从而形成了机械波（mechanical wave）.波源也被称为振动中心.机械波是振动的质点所形成的一个场.场中的每一点都作振动，即每个质点的位移都随着时间周期性变化；而在每一时刻，整个波场中质点的位移在空间呈现周期性分布。
2. 荧光辐射
按照玻尔模型，原子吸收能量后可以跃迁到激发态，由于激发态不稳定，所以原子很快会从激发态跃迁回基态或低激发态，在跃迁的过程中，原子多余的能量以电磁辐射的形式释放，这样的过程就是辐射跃迁.跃迁的过程与温度无关，因而这样的过程被称为发光（luminescence）或荧光（fluorescence）.例如，氢原子的Hα线、钠原子的黄线（D线）以及汞灯、日光灯的光谱等都是以这种方式发光的.图1.1.3是产生氢的Hα线（波长约为656.3nm的5条谱线）、钠的D线（波长分别为589.593nm和588.996nm的2条谱线）的能级和跃迁。
图1.1.3氢原子Hα线和钠原子D双线的能级和跃迁
常见的电弧光也是原子的辐射跃迁，电极的间隙很小时，其间的强电场可以将气体电离，电子和正离子在强电场中获得很大的动能，与其他原子碰撞并将其激发，从而导致跃迁发光。
原子辐射跃迁是一种自发过程，光源中的哪个处于激发态的原子在何时跃迁，是完全无法预计的。
光源中原子的数量是十分巨大的.例如，一般的凝聚态物质，原子的数密度约为1020mm-3，因此，即使体积只有1mm3的光源，某一瞬间其中只有百万分之一的原子发光，那么发光的原子数也有1014之多.而每个原子发光的过程又是随机的，因而任何一个实际的光源（激光器除外）在任何时刻所发出的都是数量巨大的、毫无关联的光波。
所以，尽管都是电磁辐射，但是可见光与无线电波有着极大的差别.无线电波都是导体（天线）中的自由电子在外界电磁场作用下振荡而产生的，这是大量自由电子同步的集体行为.可以通过控制加在天线中的电磁场来控制无线电波的发射.例如，通过调整电磁振荡的频率以控制无线电波的频率.而光波的频率高达1014Hz，电子由于有质量而有惯性，不可能以如此高的频率作集体振荡.也正是由于这样的原因，不可能用电子设备以共振的方式直接测量光波的频率.也正是由于产生的机制不同，无线电波的研究方法不能直接应用于光波中。
1.1.3产生光波的偶极振子模型
在量子理论产生之前，荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853~1928）首先提出了原子由于其中电荷振荡而发光的物理模型。
由于原子内部电荷的运动，其中正电荷中心与负电荷中心并不重合，所以可以简单地将原子视为电偶极子.原子若由于某种原因吸收能量，则正负电荷中心之间的距离将会增大，即电偶极矩增大，而库仑引力又能够使两者间距离减小，即电偶极矩减小，于是电偶极子便会产生振荡，从而产生电磁辐射.原子很小，因而原子内部正负电荷间的库仑力很大，振荡过程中的回复力系数k也非常大.若参考弹性振子频率的关系式ν=12πkm，可见这样的电偶极子振动的频率是很高的，所发出的电磁辐射的频率也很高，因而原子振荡所发出的是不同于射频波的光波.这就是原子发光的偶极振子模型.
按照这一模型，发光是原子个体的行为.不同的原子，具有各自的偶极振动固有频率，因而每种原子都有独特的发射光谱.吸收能量而受到激发的原子，在不同的激发态下，偶极矩不同，振荡的模式也会有不同，所以能够发出一系列不同的光谱线.
将发光的机制与射频波产生的机制进行对比，可以看出两者具有显著的不同。
第一，射频波是由于回路中的自由电子集体作受迫振动而产生的，所以一个稳定的振荡回路产生一列稳定的电磁辐射.对于沿z方向传播的射频波，可将其表示为ψ=ψ0cos（kz－ωt+φ0），即一列稳定的射频电磁波，具有稳定的初相位φ0.光波是由于各个原子的自发偶极振荡产生的，每个原子独自振荡，所发出的沿z方向传播的光波，可表示为ψi=ψi0cos（kiz－ωit+φi0）.由于不同原子的振荡没有关联，所以即使这些原子振荡的频率相同，初相位φi0也是随机的.因此，虽然看起来一个稳定的光源发出稳定的光波，但光波其实是由大量的随机的波列组成的，不同的波列由不同的原子发出，不同的波列的相位是随机的、无关联的。
第二，只要回路持续振荡，其所发出的射频波就是一个持续的很长的波列.而光源中的每个原子，每次受激发后，经过短暂的振荡过程，由于将所吸收的能量通过辐射而释放，会停止振荡发光；只有再次受到激发才能进行下一次振荡过程.因而即使是稳定的光源，其中每个原子的发光过程都是断续的，每列光波都是较短的波列.
尽管光波是电磁辐射，但读者一定要对光波与射频波（即普通的无线电波）的上述差别有清醒的认识，否者就很难理解为什么射频波的干涉、衍射很容易产生，而光波的干涉、衍射总需要特殊的装置.也正是因为具有上述的差别，不能将射频波段的电磁波的理论和方法照搬过来分析光波的行为，而要单独建立并发展一套波动光学的理论体系。
读者其实能够意识到，并不能将所有的原子视为电偶极子.所以，关于原子的发光，还有更复杂的磁偶极子模型、电四极子模型等.若采用量子理论讨论原子的发光，则认为原子经历一次跃迁，发出一个光子，这样可以得到更好的结果.不过，按照牛顿的观点，物理学的理论是“自然哲学的数学原理”，物理学的每个分支是以各自的物理模型为出发点而建立起来的理论体系.光子属于量子光学的范畴，在波动光学的理论体系中，采用原子振荡发光的模型，可将光限于电磁波，从而避免引入光子所导致的物理模型的不一致性。
1.1.4光波的周期性
“波是振动的传播”，这是对机械波准确而形象的定义.
在弹性介质中，一个物体如果做往复的机械运动，则将带动其周围的物体一起做同频率的往复运动.这样一来，波源的振动（vibration）就在介质中传播，从而形成了机械波（mechanical wave）.波源也被称为振动中心.机械波是振动的质点所形成的一个场.场中的每一点都作振动，即每个质点的位移都随着时间周期性变化；而在每一时刻，整个波场中质点的位移在空间呈现周期性分布。
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