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线性光学笔记(12):基尔霍夫衍射理论
yusufma 2013-9-4 04:14
现在,我们考虑一个常见的衍射问题:在一个无穷大的不透光的屏上有一个小孔(如下图所示),光从屏的左边入射,那么屏右边任意点的光场分布是怎样的呢? 首先,我们来看看如何选择格林函数。从数理方程课本中很容易查到,自由空间里亥姆霍兹方程的格林函数为 其中, 表示从 点到 点的距离。这正是基尔霍夫衍射理论中使用的格林函数。当 点在界面 上时,可以求得 其中 表示从 指向 的矢量 和法线 之间夹角的余弦。 现在,我们来选择一个包含观察点 的封闭曲面。如上图所示,我们选择的封闭曲面由紧邻衍射屏的一个平面( )和一个以 为中心、 为半径的球冠面( )共同组成。下面,我们分两部分来计算上一节“光的衍射”中最后衍射公式右边的积分。 1. 球冠面 当 点位于球冠面 上时,格林函数可以表示为 其方向导数 其中约等号之后的部分为半径 很大的情况下的近似值。在这种情况下,衍射公式右边积分可以表示为 其中 为立体角。在 上,乘积 的绝对值是个有限值。如果条件 在各个角度上都得到满足,那么这个积分就随着 的增大而趋于零。这个条件被称作索末菲辐射条件。容易证明,发散的球面波是满足索末菲辐射条件的,这正是我们处理这类问题时遇到的情况。所以,只要 足够大,我们可以忽略曲面 上积分的贡献。 2. 平面 我们这里使用基尔霍夫边条件: 在屏所在平面的透光区域内(上图中的 区域),场强分布 及其导数 的值与没有遮光屏时一样; 在该平面不透光的部分( ),场强分布 及其导数 均为零。 在这样的边条件下,衍射公式变为 这便是基尔霍夫衍射理论下的衍射公式。
个人分类: 科学笔记|9668 次阅读|0 个评论
线性光学笔记(11):光的衍射
yusufma 2013-8-12 23:29
前几节我们介绍了线性系统的基本理论,下面我们开始把它和光学系统联系起来。光学中一类重要的问题就是衍射。通常我们提到衍射,往往和小孔或者障碍物联系起来。其实,广义上来讲,衍射研究的是光从空间某一处到另一处的传播。我们从最简单的单色光入手,研究它在自由空间里的传播。 在第 1 节,我们已经介绍了电磁波的标量波动方程。下面我们就按照处理数理方程的一般方法,在一定边界条件下使用格林函数求解这个波动方程。 单色光可以表示为(参见第 2 节) 将上式代入第 1 节中提到的波动方程,我们就得到亥姆霍兹(Helmholtz)方程: 其中, 是波矢。 根据格林函数的定义,亥姆霍兹方程的格林函数 G 满足下面的方程: 其中, 和 分别表示 点和 点的位置。 点为待求解的观察点, 点为空间任意一点。 为了从格林函数 G 得到 U 的表达式,我们需要用到格林第二公式: 其中 S 是包围着区域 V 的封闭界面, U 和 G 是空间坐标的复函数, 、 是沿曲面 S 外法线方向的方向导数(如下图所示)。 将亥姆霍兹方程代入格林第二公式,我们可以得到 利用 函数的性质, 上面方程中的角标 1 表示微积分运算的对象是 点。 从上式我们可以看出, 在无源的情况下,包含在一定区域内的任意一点的场强,可以通过该区域边界上场强的积分来确定 。 有一点提醒大家注意:上面的推导其实是有一点问题的,因为格林公式要求函数的二阶导数连续,而格林函数 G 显然不满足这个条件。这来源于 函数的特殊性质。还有一种做法是,以 点为中心挖去一个小球,在小球面和边界之间的区域使用格林公式,然后让小球半径趋于 0。对这种方法感兴趣的读者,可以参考 Goodman 的《傅里叶光学导论》。由于 函数的定义已经包含了取极限的部分,所以我们这里采用的推导方法在形式上更简单一些。 到目前为止,我们还没有涉及格林函数的具体形式。下面我们将讨论不同形式的格林函数对于方程解的影响。
个人分类: 科学笔记|8774 次阅读|0 个评论
T物质存在的八个证据
热度 1 tyctyc 2013-5-26 06:08
1.物质密度梯度才是衍射的必要条件: http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-659184.html 2.固体边界外的物质能改变光的相位: http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-668560.html 3.单缝较窄时,穿过单缝的光子非线性减少: http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-668149.html 4.对电子用洛沦兹变换,首先要证明电子满足光速不变原理: http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-671138.html 5.黑体辐射是谁在辐射? http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-664526.html 6.电子辐射的条件: 详见光子衍射与T物质。 7.原子为什么稳定? 详见光子衍射与T物质。 8.色散的原因: http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-692600.html
个人分类: T物质(太子弦)|1900 次阅读|4 个评论
一个因网友批评引出的发现
热度 1 tyctyc 2013-4-8 08:21
我在水木社区科学版介绍了两个实验现象,一个是'固体边界外有物质',看起来象标题党,讲的是一束直径3mm的激光束(高斯型),在光束中心1mm范围内光子分布应该是均匀的。在光束中心放置一单缝,单缝出口放置一光度计探头,测穿过单缝的全部光子。单缝宽度d用百分表控制,精度是0.01mm。光子数与光照度I成正比,光子如果均匀分布应该有I=k/d,k是系数。实验结果是:当d0.4mm时,I=k/d是准确的,这也证明光束中心的光子是均匀分布的。当d0.1mm时,Ik/d,d越小偏差越大,有I=k/(d*d)。测光探头感光区比光斑大,没有测不到的光子。均匀分布的光子为什么急剧减小了?单缝厚度有5mm、0.09mm,单缝材料有钢、玻璃(迎光端面涂黑防止透光),都存在这个现象。 第二个实验是'固体边界外的物质能改变光的相位',讲的是在杨氏干涉实验中,在其中一缝前面的光路附近放置一固体,固体的表面与光路平行,当固体向光路靠近时能使屏幕上的干涉条纹平移,开始时固体移动0.17mm才使干涉条纹平移1个条纹宽度,当固体将要阻断光路时,固体移动0.04mm就使干涉条纹平移1个条纹宽度,这种作用也是非线性的。固体材料用过钢、铜、铅锡合金,固体长度有50mm、0.21mm、0.4微米,都存在该现象。在光路中加玻璃片改变光的相位是大家知道的,这里是什么改变了光的相位?我认为只有用固体边界外的物质才能解释上述两实验,网友认为是衍射,我说衍射不能解释该现象,网友认为我没看懂衍射理论。 我做过许多衍射实验,也看过不少衍射的书,我想只有找一个大家都认可的东西才能澄清真像,于是又将几本关于衍射的书看了一遍。这几本书关于夫琅和费单缝衍射有两个结论是完全相同的:1.零级亮斑的半角宽度a与单缝宽度d的关系是a= /d, 是光波长。2.零级亮斑的角宽度是其它亮斑角宽度的二倍。我可以用实验来检验,如果我的观点错了就承认错误,所以才有下面实验。在激光束中心处放置一单缝,单缝宽度d用百分表控制,定位精度0.01mm,在本实验中,光源是10mW半导体激光器,波长532nm,光源到单缝55mm,单缝到屏幕10米。单缝厚度6.4mm,在零级亮斑附近角度较小,亮斑角宽度乘上一个系数成为亮斑宽度x。在屏幕上测亮斑宽度x,实验结果如下: 单缝宽度d(mm): 1 、 0.5 、 0.3 、 0.2 、 0.15 、 0.1 。 零级亮斑宽度x(mm): 11 、 22 、 39 、 57 、 91 、 220 。 一、二级亮斑宽度(mm): 5.5 、 11 、 19.5 、 27.1 、 51-56 、 理论零级亮斑宽度(mm): 11 、 22 、 37 、 55 、 73 、 110 。 实验结果是:当d0.3mm时,a= /d是准确的,零级亮斑宽度是其它亮斑宽度的二倍,实验结果证明此时衍射理论是正确的,同时也证明激光束中心附近的光满足平面波的要求。但是当d0.2mm时,a /d,d越小偏离越大,当d=0.1mm时,实验值比衍射理论值高出百分之百。从衍射理论中找不到解释该现象的合理根据。如果没有网友的批评,我不会想到要做这个实验,在此要感谢网友的批评! 后来又做了不同厚度的单缝的衍射实验,实验条件同上,结果如下: 单缝宽度(mm): 1 、 0.5 、 0.2 、 0.15 、 0.1 。 0.8mm厚单缝零级亮斑宽度(mm): 11 22 54 68 107 3mm厚单缝零级亮斑宽度(mm): 11 22 56 75 125 6.4mm厚单缝零级亮斑宽度(mm): 11 22 62 92 220 衍射理论计算值(mm): 10.6、 21.3 、 53.2 、 70.9 、 106.4 亮斑测量误差1mm,不同次实验数据误差在5/100内。 从实验数据得出二个结论:1.单缝厚度0.8mm时衍射理论与实验符合很好,单缝厚度大于等于3mm时,缝宽大于0.2mm时也符合。缝宽小于等于0.2mm时才出现偏离,缝越小偏离越大。 2.在单缝宽度0.2mm时,单缝越厚,零级亮斑越宽,证明穿过单缝的光的偏转角逐步增大。 前面为了解释双层材料的直边衍射实验结果时,曾推测经过固体表面附近的光会逐步偏向固体表面,即光的入射角逐步变小(入射角是光传播方向与表面法线的夹角),这正是结论2中:光的偏转角(光传播方向的变化,初始方向与表面平行)逐步增大 ,这是直接的实验证据!
个人分类: 衍射|2159 次阅读|3 个评论
衍射的秘密(三)
热度 1 tyctyc 2013-2-17 10:18
直边衍射的条纹区总是对着直边S的侧表面 S 1 S 2 , 直边衍射的无条纹区总是背对着S的侧表面S 1 S 2 。这个事实表明衍射是在直边S的侧表面产生的一种效应,要搞清楚衍射过程只有做实验,各种衍射实验做了百次以上具体多少次己记不清楚,半反射镜是在1mm厚的玻片的一面镀上铝膜制成,有一次用买的半反射镜做直边衍射实验,用光度计测OR区的光照度。开始做了十几次实验数据毫无规律想放弃都想了几次,在顽固不化的精神支持下又不想放弃,有一天翻看实验数据看到似乎有点规律,又做了多次实验有时有规律有时又无规律,继续做了几十次才将各种影响因素搞清楚,发现的规律是直边侧表面前部(靠光源一边)反射的光子到达OR小的区域,直边侧表面后部(靠屏幕一边)反射的光子到达OR较大的区域。这些光子相交产生干涉条纹,这才能解释为什么OR区有干涉条纹。到达OP区的光子是直边侧表面附近偏转过去的,这些光子发散(不相交)不产生干涉所以OP区没有条纹。见前面博文:一个做了二十年才想明白的实验。更深入全面的原因请看川大出版社新书光子衍射与T物质。
个人分类: 衍射|2041 次阅读|2 个评论
衍射的秘密(二)
热度 1 tyctyc 2013-2-17 09:06
衍射理论认为衍射过程与障碍物(直边、单缝等)的性能无关,我从前节的分析中认为不合理。要证明自己的观点只有做实验,在空气中记录了同厚度同位置的铜片直边、铝片直边、铁片直边的衍射条纹,结果发现这些衍射条纹相同。该实验得出结论:衍射与材料无关。我还不服输,又记录了铜片直边在空气中和水中的衍射条纹,想看看不同介质对衍射有无影响。结果这两种衍射条纹又是相同的,该实验证明不同介质对衍射没有影响。这些实验说明衍射理论是正确的,建立衍射理论的是惠更斯、菲涅耳、基尔霍夫等大人物,他们是在众多实验基础之上精心研究得出的理论。研究物理的人一万个人中9999个人都不会再质疑下去,还剩一个顽固不化的人要继续下去。实验还做得下去么?...,过了一段时间才想到测一根冰柱在空气中和水中的衍射条纹,结果终于发现这两种衍射条纹不一样,做了很多次实验证明该实验是可重复的(该实验不好做,冰柱易溶)。又想了许多方法才又发现一个新衍射现象,液体中扩散层的衍射,该衍射图象是最漂亮的衍射图因为它非常宽平行度非常好(和常见的直边衍射条纹相比),见前面的博文:一个有趣的重要实验 http://bbs.sciencenet.cn/blog-531273-659184.html 。这两个实验证明介质对衍射有重要作用。自然界的谜底比人们的想像更复杂。只有坚持到底才能看到上帝的底牌。新技术(激光源)的使用发现了过去没有发现的现象,这才是能搞清衍射过程的原因,惠更斯菲涅耳的时代没有激光,有了激光后大部份人以为衍射理论很完善无需再研究。由于种种原因前人把这万分之一的机会留结了我。更精细的过程请往下看。
个人分类: 衍射|1274 次阅读|0 个评论
衍射的秘密(一)
tyctyc 2013-2-16 22:55
下图中L是激光源,S是直边,没有直边S就不存在直边衍射,假定直边S是空气制成也不会产生直边衍射,如果直边S是铜片、铁片、铝片等就有直边衍射产生。由此认为直边衍射与直边的材料性质有关,这种观点是合理的。但衍射理论与直边(单缝衍射中的单缝)材料性质无关。衍射理论用波带的方法解释了单缝衍射,看起来是合理的。用衍射理论解释直边衍射就不合理了,直边衍射的OP边是没有条纹的,书上讲是直边挡住了一半波带所以这一边无条纹。这是狡辩,在屏幕上的OP、OR两边看到的直边处的波阵面(直边处露出的光)是同样宽的,唯一差别是角度不同。从这点角度差别衍射理论无法解释直边衍射OP边无条纹的问题。单缝衍射是两个直边衍射合成的,直边衍射是最基本的衍射。衍射理论无法合理解释直边衍射,真的衍射过程请往后看。
个人分类: 衍射|1501 次阅读|0 个评论
周四讨论班:衍射理论基础(赵梦洋)
GrandFT 2012-12-11 21:49
题目:衍射理论基础 主讲:赵梦洋 时间:2012年12月13日星期四下午4:30-6:10 地点:16教学楼308室 内容: 衍射理论的严格解上次讨论班所讨论的基尔霍夫衍射理论只能作为某一特殊情况的严格解,这次将发展单色衍射理论的某些方面,特别是半无限大完全导电屏这一情况的严格解。 1.预备及背景知识(如边界条件、平面波角谱等) 2.求解 3.解的性质 参考文献:《光学原理》
个人分类: 周四讨论班|2223 次阅读|0 个评论
周四讨论班:衍射理论基础(赵梦洋)
GrandFT 2012-11-6 23:55
题目:衍射理论基础 主讲:赵梦洋 时间:2012年11月8日星期四下午4:30-6:10 地点:16教学楼308室 提纲: 一、惠更斯-菲涅耳原理 二、基尔霍夫衍射理论 1、基尔霍夫积分定理 1.5、重磁场下的基尔霍夫积分定理 2、基尔霍夫衍射理论 三、过渡到标量场 这部分我们将证明,标量的基尔霍夫衍射理论在近似中足以描述大部分光学仪器的问题。 四、其他一些相关的衍射问题 五、严格的衍射理论 注:所有讨论会使用高斯单位制 参考文献:《光学原理》
个人分类: 周四讨论班|2408 次阅读|0 个评论
利用聚焦超声显微系统我所发现的超声衍射现象
热度 1 dingjinwen 2012-6-14 12:41
利用聚焦超声显微系统我所发现的超声衍射现象
今天晚上我非常高兴,在网上搜到了我的一篇重要文章,在国际著名的物理丛书之一 -----《Acoustical Imaging》上,由著名的Springer出版和发表了,题目是《Edge Diffraction Phenomena in High-Resolution Acoustical Imaging》。 每两年一度的国际著名的超声成像国际会议,第31届于2011年4月在华沙举行,唯一来 自中国的我,代表由中国学者首次发现的现象进行学术报告。据我的俄罗斯导师后来跟我 说,我还在上面做报告时,下面的世界同行都为此次会议上我的发现感到鼓舞,没想到中 国学者也开始在该领域有了自己的发现,我的导师当时深深为有我这个中国学生感到自豪。 同年6月在彼得堡召开的著名的全球衍射国际会议,我的学术报告为绝大多数理论工作 者提供了非常好的实验素材,并且巧妙的数学和物理模型,让同行高度称赞。 之所以我专门写这篇日志,原因是此篇文章是将我在俄留学期间,全球首次利用超声 显微成像系统,观测到材料样品与超声进行交互作用过程中,所产生的一种物理声学衍射 现象。其实,此现象早在我去莫斯科学习和工作的第二年就已经观察得到,并已经找到了 其变化规律,但是,利用传统的声学理论,却始终无法找到合理的表述方法给予合理的解 释。此后两到三年中,试图给出答案的努力不断地“困扰”着我和实验中心的同仁们。 该衍射现象在信号及B超上的表现 我不断尝试过多种物理和数学的解释,有些当时看来符合逻辑的合理解释,在与不同 同事以及导师的讨论过程中,逐渐被对方提出的相关反问所扳倒,有些解释当时看似合理, 但经过一段时间的反复推敲,逐渐发现了其中的“破绽”,始终不能自圆其说。 实验中心的同仁和众多本领域的知名专家学者,也不断尝试就我的这个现象找到合理 的答案,每每不能有令人满意的答案,始终不得要领。 即便是无法找到数理描述方法,单就此项发现,在学术上已经确立了其首创性,作为 我的博士论文的一个内容,导师说已经足够有分量了,这也是我当时工作和学习过程中,中后 期已经不觉有压力的原因了。 但是,人对未解之谜的探究动力,始终“折磨”着我,经常上班和下班的行进过程中, 坐地铁的几十分钟里,脑海中却每每展现出我观测到的衍射现象...... 这种状态一直持续到我最后半年写博士毕业论文阶段,依然伴随着我的工作和学习, 甚至生活。当我书写我那厚厚的博士论文的时候,通过前后系统的对工作和实验的梳理, 某夜,准确地说是某个凌晨四点多,我的脑子突然将我发现的现象,与数学中复杂的几何 图案找到了关联,在短短几分钟内,迅速用笔勾画出脑海中的图形,定义了相关物理模型, 立刻得到了数学表达式,通过简单模拟计算,得到和还原了实验中所观察到的衍射波....... 该衍射现象在产品工艺表征的B超和C超上的表现 当时按耐不住那种幸福和喜悦,眼中温湿的感觉,化作无穷的力量,在空中拼命地挥 舞着自己的拳头,终于体会到了人类自身的无穷力量....... 我喜悦着,突然发现全世界就我一个人,在曙光来临之前如此地疯狂,这时才发现了 自己的孤独。早已习惯了孤独的我,在无数个孤独寂寞日夜,甚至开始享受着孤独所带来 的悲怆,在苍凉中默默潜行着...... 从刹那间的成功中,我仿佛也找到了人生的部分答案------坚定与坚持! 我孤独地享受着自己的喜悦和成功,我还要在无尽的黑暗中前行,一丝霞光不远处 忽隐忽现...... 孤独地追寻和探索着,哪怕前方还有无数的磨难......
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说说劳埃发现X射线衍射时代的事儿
热度 5 liwei999 2012-6-9 17:17
说说一百年前劳埃发现X射线衍射时代前后的事儿。 作者: mirror (*) 日期: 06/09/2012 03:45:32 一百年前的事儿了,都成了往事儿,误传的故事就多了。尤其是这些故事经外行人的传播,越来越离谱。作为科学网,能有 人记起这些事儿来, X-射线衍射发现100周年 , 纪念X射线衍射发现100周年 ,很是令人欣慰。 这个一百周年不如 伦琴 发现X射线一百周年动静大。毕竟伦琴是第一个炸药奖的得主。遵照伦琴的遗嘱,有关X射线发现的所有笔记都付之一炬了。这让后人留下了很多想象的空间。因为当时主张发现X射线的有不少人,争议不会小于发现青蒿素的屠呦呦等人。 劳厄本人是贵族出身,von是个身份的标帜。所以,娶个漂亮的夫人很是“正常”。劳厄在 索末菲 手下当私讲师,厄瓦尔德是索末菲的博士生,名字留在了X衍射的厄瓦尔德球面的术语里。厄瓦尔德在纪念X射线衍射发现50周年的文章里,有过这样的描述 Quote 他却发现劳厄听讲心不在焉,劳厄又一次问振子之间的距离,当得到相同的回答时,劳厄问道:假如用短得多的电磁波穿越晶体,会怎样呢?” 这样的思考,导致的劳厄的发现。这类故事网上可以查到很多。对于国人,也许思考一下需要什么样的条件才能做这个实验会有益得多。比如多少时间曝光?X光的胶片是什么样子的?X光机的功率如何等等,这些真正才是需要信息。 晶体是个什么样子?原子又是什么样子?这也是那个时代的前沿问题。1909年里卢瑟福根据阿尔法散射的实验结果发表了 卢瑟福原子模型 ,但是古典电磁学理论不支持这个模型。化学人理解的原子是中性的球,里面有电子这类的模型。人们有晶体是由原子排列组成的模型,但是并没有实验的验证。而劳厄衍射的意义第一,证明了X射线是电磁波,第二,证明了晶体是由原子点阵形成的。 这是1912年的CuZn晶体的劳厄衍射照片。凭借这个开创性的工作两年后劳厄得了炸药奖。 Download 如今使用X光的人多与物理学无关。他们也很忙,也没有机会了解当初发生的事情。 小布拉格的教科书 里对那段时间里的工作有个很好的描述。老布拉格原本认为X射线是粒子的一派人物。因为他在 威尔逊云雾室 里可以看到X射线引起的电离轨迹。这与阿尔法线、贝塔线是一样的。直到知道了劳厄的报告。一般人都认为布拉格父子的得奖是因为那个有名的布拉格公式2dsinθ=nλ,其实不然。因为这个公式与劳厄的公式是等价的,并没有什么新意。这个事情以前在教育“小屁孩儿”们的时候说过。小布拉格得奖的理由在于他从晶格模型(劳厄的结果和化学界的“常识”模型)、晶体密度和阿伏伽德罗常数 推算出了晶格的尺寸 。老布拉格则是利用这个尺寸,通过测衍射角决定了X射线的波长,也就开辟了X射线领域里的谱学。这种工作都是所谓的 原始创新 ,是前人没有做(到)过的事情。 用X射线衍射的方法看晶体的结构,这在今天养活了成千上万的研究人员,尤其是当下流行的“结构生物学”,就是用现代的X射线做衍射,决定蛋白质巨大分子的结构。今天英国在晶体结构分析领域依然领先的地位,是小布拉格时代里打下的。人们幻想着能象今天的有机化学那样,在生物大分子层里设计、制造各类对人有用的东西,比如说药品。这事情,可以说是科学时代的“炼丹术”和“炼金术”。 从价值的角度看,人类遗留下来的文化遗产都不是为了 赚钱 的。而 今天做研究的很大一部分,与一百年前的劳厄时代不同,是为了赚钱的、或者是鼓吹可以赚到钱的。这个模式就必然带来一个“不幸”:赚到钱了会因为赚到了钱而消失,没赚到钱又会因为没赚到钱而消失。百年过后,什么也不会留下。 卓别林有个作品叫 摩登时代 。镜某小的时候看过,不能理解。大了以后才多少有些理解了。1936年,是个汽车生产的“摩登时代”。几十年过后,如今到了科研的“摩登时代”了。研究人员的 “异化” 恐怕也只是个时间的问题了吧。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。
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X射线衍射发现的那些事(X射线衍射发现100周年)
热度 18 adzhao 2012-6-9 00:26
X射线衍射发现的那些事(X射线衍射发现100周年)
(翻译改编自P.P. Ewald编写的《X-ray衍射发现50周年》:http://www.iucr.org/publ/50yearsofxraydiffraction) 其实就是劳埃( Laue )那些事。劳埃比我整整大一个世纪,是 1879 年 10 月生德国人。 劳埃早年( 1899 年)在德国三个大学学习数学、物理、化学,后来普朗克 1900 年搞出了量子理论,劳埃就跑到柏林去,当了普朗克( Plank )的学生, 1903 年在柏林拿了博士学位。劳埃后来又在德国跑了几个不同的地方,也曾回普朗克那里呆过,但最终 (可能) 由于个人原因他还是回到了慕尼黑。 1909 年秋天加入索墨菲( Sommerfeld )在慕尼黑的研究组。索墨菲当时已经是有名的大科学家,在编一本名为《数学科学百科全书》的大部头,邀请了一批豪华阵容的物理学家,什么洛仑兹啊,玻尔兹曼啊,范德华啊帮着写。劳埃也参与了其中,编写波与光学的部分。 劳埃也终于在慕尼黑结束了近 30 年的光棍生涯,娶了一位老爸是巴伐利亚警官的美丽非凡的十分迷人的巴伐利亚女孩(此事不是据说,确实如此)。 1912 年 1 月的时候,索墨菲组里的研究生,意沃德( Ewald )正在撰写他的博士论文,这家伙是研究晶体光学理论的,他发现他的研究结果与传统理论存在激烈的背离。意沃德知道劳埃混得地方多,也的确对物理学很多方面都精通,因此意沃德期望与劳埃讨论讨论他的博士论文。 劳埃与意沃德第二天就见面并讨论了意沃德的研究结果,然而,另意沃德吃惊的是劳埃居然对意沃德的工作完全不懂。 意沃德对自己的工作一番详细介绍后,劳埃突然问: “ 如果极短波长的波穿过晶体,你觉得有可能发生什么现象? ” 意沃德打开他的论文,翻到第六段公式 7 ,说: “ 这个公式显示了结果,没有作任何近似或忽略,只需要讨论下这个公式在短波长下的情况。然而我必须几天内递交论文准备答辩。非常欢迎您来讨论这个公式。 ” 意沃德 2 月 16 日递交了论文, 3 月 5 日答辩,在他的论文中提出了 ” 倒易晶格 ” ( reciprocal lattice )的概念。不过意沃德忙得晕头转向,跟劳埃讨论过后他就把劳埃对短波长光特别感兴趣这事给忘了,直到他后来得知劳埃的 X 射线衍射实验结果。 但是劳埃没忘。 被索墨菲逮住编写大百科全书光与波部分的经验告诉劳埃:如果波长与原子间距可比,将会发生衍射,就像光栅一样。但与光栅不同,晶体中的原子是三维的。的确,三维光栅这种概念并没有人想到,在当时甚至可以说是疯狂的想法,但劳埃的直觉告诉他那一定可以。 随后一年一度的复活节 Easter 到来,这帮子物理学家有个传统,就是在复活节聚到阿尔卑斯山去滑雪。这时候劳埃和索墨菲等一帮子物理学家交流了这个想法。然而,索墨菲听了劳埃的想法后十分反对(理论物理学家的实验直觉啊),认为那不可能实现。原子的热运动会达到 0.7 埃,超过当时人们所以为的 X 射线的波长( 0.4-0.6 埃)。索墨菲是如此认为劳埃真心不靠谱,甚至强烈反对让他刚雇佣的实验助理 Friedrich 为劳埃的实验工作。 劳埃作为理论组的实验青椒真是苦逼啊。 不过劳埃觉得,这实验并不难做,至少该 try 一 try 吧。 Rontgen(伦琴,X-ray发明人) 研究所的 Knipping (倪平)刚刚完成了论文,知道这事后, 为了减少 Friedrich 为劳埃工作的时间(以保证足够的为索墨菲打工的时间), 志愿加入到劳埃的实验中来 。 第一次实验,屏幕放在样品前,结果 negative 。第二次,屏幕放到样品后,衍射斑图就出现了。 劳埃当时正在咖啡店喝咖啡,得知这一结果后立即赶回研究所,说服自己他的 “ 直觉 ” 成功了。回家的路上,他边走边想,突然意识到了只要将原有的光栅公式同事应用到在三个方向上,就可以得到晶体中的三维结构的衍射理论。在他的回忆录中写道: “ 那对我是具有决定性意义的一天。 ” 伦琴是最早知道实验结果和看到实验装置的大科学家。他对实验中得到的照片惊叹不已,但却依然对衍射的解释却并不认同。两位实验学家又当着他的面折腾了几个不同的实验,伦琴勉强认同了照片上的斑图的确来自于晶体而非其他原因,但他依然不认同那是衍射造成的。 1912 年 6 月 8 日,索墨菲作为巴伐利亚科学院院士代表劳埃三人在巴伐利亚科学院会议上通报了他们的研究结果,伦琴也在场,他终于接受这一成果并强调了其重要性。 同一天,在柏林举行的柏林物理协会会议上,劳埃自己也向他原来在柏林的研究组里的物理学家们报告了他的研究成果。 后面的事,就剩下两年后 1914 年 劳埃因 X 射线衍射的发现荣获诺贝尔物理学奖了。
个人分类: 科海拾贝|11976 次阅读|29 个评论
纪念X-射线衍射发现100周年
热度 12 hxgwzu 2012-6-8 15:38
纪念X-射线衍射发现100周年
今天,2012年6月8日,是X-射线衍射发现100周年的纪念日。 100年前的今天,德国慕尼黑大学(University of Munich)的物理学家劳厄(Max von Laue)及其同事,想出了一个主意,就是将一束X-射线通过一个硫酸铜晶体发送出去,然后在照相底片上记录下结果(如图1)。 (taken from: http://www.chemistryviews.org/) 劳厄鼓励他的两位同 事, Walter Friedrich和Paul Knipping,他俩在X-射线方面比劳厄更有实践经验,在索末菲研究所(Sommerfeld's institute)继续开展实验,结果发现在起始光束的中心点周围产生了衍射点(diffraction spots)。 其实,这一发现比伦琴( Wilhelm Conrad Rntgen) 首次发现X-射线要迟17年。当时,是他宣布了X-射线的存在,但这种射线的本质一直没搞清楚。有些物理学家怀疑X-射线是一种电磁辐射,但一直无法获得可靠的衍射方面的证据。当时估计X-射线的波长范围在 0.4-0.6。 与此同时,晶体学家们则已越来越确信晶体空间点阵结构的存在。这个问题劳厄也与他的朋友 埃瓦尔德( Paul Peter Ewald )讨论过。在一次交谈中,埃瓦尔德发表了这样的观点,阵点之间的距离也许是造成X-射线产生干涉的合适距离,如果原来估计的波长正确的话。 无疑,是劳厄的直觉和灵感促成了Friedrich和Knipping的实验,尽管一开始他是基于一种错误的期待。然而可喜的是,劳厄及其合作者的实验提供了X-射线是波本质和晶体具有点阵结构的直接证据。因为衍射点是由X-射线引起的,后者对衍射 体(scatterers)的规则阵列(晶体中原子的重复排列)具有重大影响。衍射体造成球面波 (spherical waves)的规则排列,在绝大多数方向上干涉很严重,具有破坏性,但在某些方向上却具有建设性,所以在照相底片上能产生光亮的点。 在X-射线衍射发现后的一年里,布拉格(William Lawrence Bragg) 推导出了一个解决晶体结构和决定衍射图规律的著名公式: 2dsinθ=nλ 在公式中,d是衍射面之间的距离,θ是入 射角(incident angle ),n是任意整数,λ是光束的 波长(如图2)。 (taken from: http://www.chemistryviews.org/) 可以这么说,劳厄和布拉格的发现,开创了两门科学,即X-射线晶体学(X-ray crystallography)和X-射线光谱学(X-ray spectroscopy),同时还造就了两位诺贝奖得主:1914年劳厄“for his discovery of the diffraction of X-rays by crystals” 而获奖;1915年布拉格及其父亲(William Henry Bragg) “for their services in the analysis of crystal structure by means of X-rays” 而获奖。 科学研究需要质疑,也需要灵感(直觉),更需要合作精神。X-射线及其衍射作用的发现,开创了一个科学新时代,绵延百年而不绝,创造了众多的一流的的科学成果,也算是科学史上的一桩奇迹和美谈,值得我们永远纪念。 (taken from:http://www.iop.cas.cn/) 参考资料: Max von Laue and the discovery of X-ray diffraction in 1912 ,M. Eckert, Annalen der Physik , 2012 , 524(5) , A83–A85. DOI: 10.1002/andp.201200724 The Discovery of the Diffraction of X-rays in Crystals — A Historical Review ,G. Hildebrandt, Cryst. Res. Technol. 1993 , 28(6) , 747–766. DOI: 10.1002/crat.2170280602 Michael Eckert,Disputed discovery: the beginnings of X-ray diffraction in crystals in 1912 and its repercussions,Acta Cryst. (2012). A68, 30-39.(厦门大学化学系胡盛志老师提醒有该文,谨致谢意!)
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和一段论“用”,也是与朋友的对话:散射与衍射
热度 2 liwei999 2011-12-11 05:53
和一段论“用”,也是与朋友的对话。 作者: mirror 日期: 12/09/2011 19:52:58 【学习毛主席著作要带着问题学,活学活用,学用结合,急用先学,立竿见影,在 "用"字上狠下功夫。为了把毛泽东思想真正学到手, 要反复学习毛主席的许多基本观点,有些警句最好要背熟,反复学习,反复运用。】 做学问也是如此。要带着问题学,活学活用,学用结合,急用先学,立竿见影,在"用"字上狠下功夫。不“用”的话,都不过是些花拳绣腿。 论散射与衍射。 散射、衍射的提法,往往会让学生们“彷徨”,以为是说两个事情。一般教科书上也不去解说为什么会有这样两个说法。这个“分类”是来自哲学的思考。 从势垒上看,散射是正的势垒与束流的相互作用,衍射是负势垒与束流的相互作用。一个是墙,一个是沟的概念。有实体对光作用时说光“散射”很自然,洋文是scattering。在没有实体的时候,比如说“小孔”,“小孔”对光作用时说光“散射”就显得不很自然了。这时就用了新的说法——光“衍射”。 “小孔”是因为有个周边才显出来。在实体上,只有散射体的边缘,而无“小孔”。这与解剖学上没有“口”、只有“唇”的事态是一致的。 人体的结构也很有特点,消化道实际上是个“体外”的存在。即便是在肚子里边,那也是人体内的“体外”。 衍射的另一个侧面是对相干性/非相干性的关注。散射是统(通)称,而衍射则往往是指其中弹性的、相干的那个部分。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。
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求中国大陆范围内带有高温控件的X射线晶体衍射仪
wangshu 2011-5-13 13:43
温度范围在20~300度,比如说 Powder X-ray diffraction study was carried out on a Rigaku R-AXIS RAPID II imaging plate diffractometer using Cu-Kα radiation. The measurement temperatures were varied using the temperature controller Rigaku CGD-4 under N2 gas. Samples were grinded down and packed into glass capillaries.
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再论衍射与散射的区别
热度 2 liwei999 2011-4-14 19:44
立委按:镜先生不时发一些类似科普的帖子,作为对网友的答疑,是他“爱心”的体现。我由于四人帮耽误的原因,基本是理科盲,因而在编辑他的传播专门知识的科普高论时,持一目十行的态度。可是,最近有怎样科普才是真正的科普,而不是翻译或者编译的讨论,于是就带着问题读镜子,比平时认真一些,小有心得,在此与各位分享。窃以为,高明的科普作家必然是对问题领域了然于心,然后形象化地讲解出来。还记得当年看华罗庚的数学科普文章,陶醉于其文字的精妙以及知识传播的流畅,如沐春风。虽然说“很多‘学究’上的事情不是几句话可以说清楚的”,而且这篇镜文涉及的问题领域又是非常专门的物理分支(“ 显然这个档次的相互作用不是一个‘大众光学’涉及的领域 ”),镜文的形象化讲解还是有很多可圈可点之处,详见立委编辑时所加的 下划线 (作为《镜子大全》的编辑体例,由于从未见镜子使用下划线,所以,凡是镜文中下划线的部分,可一律默认为编者立委的圈点,表达编者的赞赏,也为将来编辑《镜文童语》做个准备),譬如官话与方言的比喻,再如炕头与野合的对照。特别是用铜钱的比喻以及解剖学上“口”的定义来引申比照散射与衍射两个概念的来历和区别,这类看似信手拈来的叙述方式,是让我拍案叫绝的。 再论衍射与散射的区别。 作者: mirror (*) 日期: 04/14/2011 01:29:43 这个话题是为了回应网友“ 衍射是散射相互作用产生的 ”和“ 衍 射与散射的区别究竟在哪里?如果能回到“究竟”,就很好了! ”的两个评论。 的确上一贴 回答“衍射与散射的区别究竟在哪里?” 中对于“ 究竟 ”的挖掘还不够。这是出于几个方面的考虑。第一,对多数人而言,理解这些都是些“方言”意义比较切合实际一些。第二,很多“学究”上的事情不是几句话就可以说清楚的。 比如说“ 衍射是散射相互作用产生的 ”这句话,应该说是个中规中矩的论述,看上去没有什么问题。这个说法大约是要回答楼下“究竟”的问题。把 散射 认为是更基本的“元素”,因此有了“ 衍射是散射相互作用产生的 ”说法。 依镜某的“分辨率”和对事物的理解,以为“ 衍射是散射相互作用产生的 ”的说法中有几处不妥。显然这个说法混淆了 叠加 与 相互作用 的不同。如果这句改成“ 衍射是散射的叠加产生的 ”话,这是在重复一个波动力学的“公理”(惠更斯原理),应该是个很完美的陈述。 如此,事态就变成了何为 叠加 ?何为 相互作用 ?的问题了。一般说来,凡是说到 相互作用 一词儿时,都要想到它的 哈密顿量 如何写才好。很不经意地给一句 散射的相互作用 ,按“正规”的理解就是要考虑 光子与光子的相互作用 了。显然这个档次的相互作用不是一个“大众光学”涉及的领域。 既然是把 散射 认为是更基本的“元素”,那么就不妨把这个“元素”的究竟揭示出来。 散射 ——作为一个相互作用的结果,其机制是什么呢?从电磁波散射的 哈密顿量 看,散射一定是电荷(流)的载体与电磁波的相互作用的结果。 也就是说,相互作用的现场在于此,在 电荷的载体 那里,而不是在其它的什么地方。或者说, 这个事儿必须是在炕头上,其它地方的说法都是野合。 光(电子)谱学之所以那么神奇、那么有用、有效,其根本就在于此。 这个 电荷的载体 一般被称为 散射体 。作为第一近似, 散射体 的微分散射体截面积(散射振幅)是个计算散射强度的基本物理量。 这个 电荷的载体 上的电荷在能量轴上的分布如何?在空间上的分布如何?这些个特殊的分布形态对电磁波的散射有何特殊的影响呢?当然这些问题前辈中的优秀分子当然要思考。如果人们在今天的学习中依然没有思考的话,只能说明能力不如前辈中的优秀分子。面对这样的事态也不必有那么多的“失落感”。不如那些人物是“当然”,超越了那是相当相当的“偶然”事件。 通过上述对相互作用的考察,可以知道决定散射电磁波场的根源在 散射体 上。因此对某些散射体的特殊情况就要有一些特殊的名称。比如说拉曼散射、瑞利散射等等的。前者是说散射前后波长的变化,后者是说对不同波长的散射强度的不同。 “电荷载体”是个 实物(体) 。这个 实物 的散射很好理解。所谓 实体 ,一般是说四周“空”,当中“实”的物体结构。一个铜钱上有个小孔,说铜钱的散射很容易理解,而说“小孔”的散射就不是很顺了。因为那个“小孔”是个 “空” 的存在,什么都没有。是靠小孔边缘“围”出的一个空间。这一点与解剖学中没有“口”、只有上下唇的说法是一致的。为了回避尴尬—— “没有实体” 的物件儿(小孔)所带来的“散射”现象,人们改称这类散射现象为 衍射 ,意为小孔边缘的散射。 在物理上,散射在什么时候都可以说,好比是“官话”。 衍射 则是波动光学领域的“方言”。 是说散射体的大小与电磁波长相当、这样的多数散射体之间也彼此相干条件下发生的散射现象。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。
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回答“衍射与散射的区别究竟在哪里?”
热度 6 liwei999 2011-4-14 01:27
回答“衍射与散射的区别究竟在哪里?” 作者: mirror (*) 日期: 04/13/2011 10:29:11 衍射与散射的区别究竟在哪里? 是个好题目。物理本质相同的事情为什么要有不同的称呼呢?这是人们“一头雾水”的根源。 有几个剖面可以看到两者的区分。 1) 散射 一般用于表述 实在物体 (粒子)对光(电磁波)的相互作用的结果,而 衍射 一般则用于没有物体,比如说 空孔 对光(电磁波)的相互作用的结果。从 场 的分类看, 散射 用于正的散射势,而 衍射 用于负的散射势。正的散射势是墙,负的散射势是沟。 2)从相干性的剖面看, 散射 一般不论相干与否、弹性与否,是个总称。而 衍射 则是强调了相互作用后 相干性 的特点。 3)从散射的空间分布的剖面看,不强调某个特定方向的时候泛说 散射 ,而要强调某个特定的模式、方向的分布时则说 衍射 。 这些说法相当于同一现象不同方言的称呼。虽不是个大问题,但初学者很闹心。镜某幼儿园时代里来了个上海的小孩,他管 鞋 叫“孩子”。“我的孩子”的说法让小朋友们“一头雾水”。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。 diffraction, refraction, deflection, and reflection, 都可以记在散射的名下。有镜面反射,叫reflection。 作者: mirror (*) 日期: 04/13/2011 19:46:45 如果没有镜面,只有个电场、磁场时,电子束也会有偏转现象。但这时说reflection的感觉就很“怪”,要说deflection。refraction(折射)的说法也是几何光学中的“方言”。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。 的确是对这类事物的“分辨率”比较高。这些东西需要“悟”——过脑子。 作者: mirror (*) 日期: 04/13/2011 21:26:16 有时候的确也觉得把这些“悟”出来的事情讲给别人听很“可惜”。但更多的时 候是很多人听不懂这样的话题,因此也“可惜”不了。 写写这类东西也是为了忘却的纪念。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。
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一项新的发现:检验光波动性的(手机+显示器)装置
yanghualei 2010-8-15 12:01
拿起你的手机, 手机像素即分辨率一定要足够的高 显示器的分辨率要足够的低, 对准科学网博客主页拍照 将会出现由干涉与衍射导致的下面 明暗相间条纹 图像 手机底板类似观察屏, 显示器类似发射光子的装置 为什么要求手机像素高, 电脑显示器像素低,思考下、、 此方法间接的验证光的波动性以及光子的存在性 今天无意中发现的, 大家一定要拿起手机实验下
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如果声音的接收具有衍射性与选择性----杂想
yanghualei 2010-8-10 21:17
会上领导在讲话 但下面非常乱 , 想听的人又听不到 如果声音 的接收 具有衍射性 与 选择性 那该多好啊 设计一个 声音接受 仪器 , 对声音进行过滤 能 专业 识别某些领导人的声音 ,绕过噪音 每次开会只需要把要讲话的人的声音 事先输入 因为每个人 声音都有其特异性 , 其 有基本的简谐波构成 设计一个耳机 或者 设计一个药片 间接或直接进行过滤 改变想听的人 耳膜对声音的选择性 应该理论和技术上都是 可以设计
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