第十三章 光的波粒二象性参考资料

1．干涉和衍射的区别和联系

光的干涉现象是两列或几列光波在空间相遇时，光强在一些区域加强，在另一些区域削弱，形成稳定的光强有规律分布的现象。光的衍射现象是光绕过障碍物偏离直线传播进入几何阴影区，并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象，光的干涉和衍射现象在屏幕上都得到明暗相间的条纹，这些条纹的产生，本质上都是波的相干叠加的结果，但是光的干涉强调了两个或多个光束的叠加，对于参加叠加的几列光波都是以直线传播的模型描写的。这样的干涉可以认为是纯干涉的问题。光的衍射现象强调了光偏离开直线传播的现象，光在传播过程中遇到障得物时，一部分子波被遮蔽，其余部分的子波叠加的结果形成了衍射条纹。尽管二者都是相干波的叠加，但是前者是有限的几列光波的叠加，而后者是无数多个子波的叠加。

在实际现象中，一般既有干涉的问题，又有衍射的问题，例如，双缝干涉实验中，我们没有考虑双缝中每一个单缝的宽度，即认为每条单缝都是很窄的（缝宽远小于光波的波长），由于衍射作用，每条单缝单独在光屏上形成的光强度几乎都是相同的。由这样的两列光波相叠加形成的干涉亮条纹差不多都有相同的强度，实际上，由于每条单缝都有一定的宽度，它们各自独立存在时，在光屏上都要产生光强度不均匀分布的衍射条纹。光屏上实际得到的条纹是这两组相干的衍射条纹叠加的结果，它是被单缝衍射调制的双缝干涉条纹，如果用激光光源做双缝干涉实验，在光屏上可以看到级数比较高的干涉条纹，这时，可以见到光屏上的干涉亮条纹的强度不是均匀的，随着单缝衍射条纹的光强分布而变化。

2．CT简介

20世纪70年代初，计算机X射线断层扫描技术（全称Computed Tomography，现在通常称之为CT）的出现，使英国EMI公司的哥德弗来•亨斯菲尔德（Godfrey Hounsfield）和托夫茨（Tufts）大学的埃伦•柯麦克（Allen Cormack）两人荣获1979年度的诺贝尔生理学或医学奖。CT是20世纪科学技术发展的重大成就之一，它的出现，为医学提供了一个新的诊断手段，使放射学从胶片影像时代进入了电子计算机图像处理的时代。

图13 -1为CT机的主要组成部分示意图。图13 -2是现代CT机的两种构造形式。

图13-1

X线在医学中获得应用至今已经有90余年，但是，无论透视荧光屏还是X线胶片这些常规的成像手段，都存在着一些根本的缺点，首先，它们使三维结构的人体经过投影成像于二维平面上，这使大量的有用信息相互重叠，分辨困难，历年来虽有改进，但无突破之处。其次，由于重叠、散射以及胶片本身质量等原因，它们固有的密度分辨能力很差，通常只能区分5%以上的相邻密度差异，而根据测定人体各种组织间的密度差别，大都小于这个下限，例如大脑灰白质的密度差仅为0.5%。

CT的工作过程如下所述：

①数据的采集 当扫描机起动后，X线通过由计算机控制的扫描机构发出，精密地按照预定的程序绕人体逐步地进行数据采集，直至取得重建图像所必须的全部信息。

②数据的预处理 由探测器取得的原始数据，必须经过一系列的修正才能用来重建图像，这一过程称为预处理过程。经过各项修正后的数据，已接近反映真实情况的数值，它将被送入图像重建系统。

③图像的重建 图像重建的过程就是计算机解一系列方程组的过程，方法很多，但实际可行的只有少数几种。

④图像和原始数据的贮存 CT图象和原始数据都以数字形式贮存于计算机的外围设施中，其存取则通过操作指令实现。通常这些数据的暂时存取都在硬磁盘中进行，永久存储则选用磁带或软磁盘。

从1971年世界上第一台CT正式启用至今，其性能改进迅速异常。目前CT已进入第3代、第4代，如图13 -2所示。

图13-2

3．外光电效应和内光电效应

通常所说的光电效应是指外光电效应，即物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象，另一种光电效应叫内光电效应，它是物体在光的照射下，内部原子中的一部分束缚电子变为自由电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的导电性加强。

利用内光电效应可以制成光敏电阻、光敏二极管和光电池；光敏电阻的阻值随着光照射的强弱而明显地变化，光敏二极管的顶部有玻璃透镜，通常给光敏二极管接上反向电压，如果没有光照，反向电阻很大，电路里几乎没有电流；有光照时，反向电流就随着增大，经放大后，可推动继电器工作。

光电池的种类很多，早期有氧化铜光电池和硒光电池，现在又有硅、砷化镓、硫化镉、磷化铟等光电池，硅光电池是由单晶硅材料制成的具有大面积PN结的半导体器件。图13－3是硅光电池的结构示意图。PN结两边各有一个引出电极，就是光电池的正负极。光电池的表面镀有一层增透膜，其作用是为了减小光的反射，提高光电池的转换效率。光电池之所以能把光能转变为电能是应用了半导体PN结的光生伏打效应。在光照射下，硅原子的束缚价电子变成自由电子，形成自由电子和空穴，在结电场作用下，自由电子向N区运动，空穴向P区运动，于是在N区和P区分别聚集了电子和空穴，产生了电动势，接有负载时，负载中就有电流通过。现在的硅光电池在强光照射下，能产生0.5V的电动势，每平方厘米工作面积输出24mA的光电流，相当于输出功率10～12mW。使用时，可以把大量的硅光电池串联和并联起来，以得到所需要的电压和电流，光电池作为电源广泛应用在人造地球卫星和灯塔、无人气象站等处。

图13－3

4．数码相机的心脏－CCD

CCD传感器（Charge Coupled Device）又叫电荷耦合器件。它由许多感光单元组成，一般感光单元按照矩阵形式排列，通常以百万像素为单位，相当于传统相机的胶卷。

图13-4

它的成像原理是使用感光单元将光线转换为电荷，当拍摄者对焦完毕按下快门的时候，光线通过打开的快门（目前消费级数码相机基本都是采用电子快门）透过马赛克色块射在CCD图像传感器上，感光单元在接受光子的撞击后释放电子，所产生电子的数目与该感光单元感应到的光成正比。当本次曝光结束之后，每个感光单元上含有不同数量的电子，而我们在显示器上面看到的数码图像就是通过电子数量的多与少来进行表示和储存，然后控制电路从CCD中读取图像，进行红（R）、绿（G）和蓝（B）三原色合成，并且放大和将其数字化，这些数字信号被存入数码相机的缓存内，最后写入相机的移动存储介质完成数码相片的拍摄，由于CCD技术发展很快，此成像原理只适用目前大部分消费级数码相机，像索尼4 color super HAD CCD等产品的原理都不相同。

发布时间：2012/3/13 下午2:35:27  阅读次数：2848