早在17世纪，意大利的格里马第（—1663）就发现了光的衍射现象.在点光源照明下，如果在狭窄的光束路径上放置一物体，那么在置于其后的屏幕上就不是轮廓分明的影子，其影子不但比较模糊而且沿着影子边缘还出现彩带.格里马第称这种现象为“衍射”.后来，英国科学家胡克（—1703）也观察到类似的现象，但他们都未能对衍射现象作出正确的解释.�最先对光的衍射现象作出正确解释的是法国工程师奥古斯汀·菲涅耳（Augustin Fresnel,1788—1827）.他1806年从巴黎工科学校毕业，后来又在巴黎桥梁与道路专科学校学习三年，毕业后从事道路修理工作，当了八年工程师，由于他在光学研究方面崭露头角，菲涅耳就专门从事科学研究，自1814年开始，研究光的干涉和衍射现象.当时他并不知道英国科学家托马斯·杨（Thomas Young，1773—1829）的工作，但与杨氏一样，他把这些现象看作是光的波动说的证据.�1817年法国科学院举办了一次科学竞赛，要求参加者用精确的实验来演示光的全部衍射效应，并建立相应的理论.菲涅耳决定参加这次竞赛，他写了一篇叙述自己研究工作的论文，并于次年交给科学院.菲涅耳做过一系列光的衍射实验，他更精细地演示了格里马第的发现，在光源发出的光束照明下，一根细丝的影子内会出现明暗相间的光带.他用小孔实验证实，只要小孔的直径小到可以与光的波长相比拟时，光束通过小孔就能产生圆孔衍射图样，那是一圈一圈明暗相间的同心圆.他还演示了光通过圆屏、锐利的直边（例如刀口）、狭缝障碍时所产生的衍射效应.�在1818年应征论文中，菲涅耳在介绍他所进行的各种光的衍射实验的基础上，提出了今天被称为惠更斯—菲涅耳原理的新学说.惠更斯认为，在给出的ｔ时刻的波阵面可以看成是全部球面波的包络面，而在前一时刻ｔ０的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源.菲涅耳改进了惠更斯原理，并在此基础上建立了自己的理论.他认为，在ｔ时刻空间某一点的光波的幅值可以看成是所有球面波相干的结果，而在前一时刻ｔ０的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源.�菲涅耳根据这一原理研究了各种衍射现象，并创造了一种数学方法（菲涅耳波带法），定量计算了这些情况下衍射带的分布.他研究了光通过小孔的情形，并计算出在位于这个小孔后面的屏上应看到什么样的图样.根据他的计算，如果光是单色的，在屏上应看到一些明暗交替的环，菲涅耳计算出这些环的半径取决于孔的大小、光源到小孔的距离和小孔到观察屏之间的距离.�菲涅耳根据波动说还论述了各种不同衍射孔的光衍射的其他情形，并计算了衍射条纹的分布，菲涅耳的所有计算都与实验结果相符.�科学院成立了专门评比委员会来审议应征的所有论文.该委员会的成员都是当时法国有名的学者，他们是阿拉果（－1853）、泊松（－1840）、毕奥（，1774－1862）、拉普拉斯（，1749－1827）和盖·吕萨克（－1850）,其中泊松、毕奥和拉普拉斯都是相信光的微粒说的，而盖·吕萨克持中立态度.因此委员会不可能轻易相信菲涅耳的研究工作，但菲涅耳的计算结果与实验数据出色地符合，以致无法否定菲涅耳的论文，最后不得不授予他奖金.其中还发生了一件有趣的事情，评比委员会成员泊松看了菲涅耳的计算后发现，根据这些计算会得出一个难以置信的结论：在一个图片的阴影中应当出现一个亮点.但是迄今为止谁也不曾观察到这一情景，看来这是绝对不可能的．泊松提出这个问题想以此来驳倒菲涅耳的波动说.�菲涅耳面临这一严重考验，他的理论正确与否，必须用实验来检验.菲涅耳的理论指出，只有当图片的半径很小时，这个亮点才明显，于是他又做了一次实验，结果真的得到泊松所提到的亮点，这充分证明了菲涅耳波动理论的正确性，后人戏剧性地称这个亮点为泊松亮点（或称泊松亮斑）.因此，人们常常把菲涅耳提出的衍射理论及其实验证明，作为他对波动光学的第一大贡献.�菲涅耳的成就对光的微粒说的信奉者是一大震动，使毕奥、拉普拉斯、泊松等拥护微粒说的知名学者也无言对答；而阿拉果在这一成就的感召下改信波动说了.�在这一时期，德国的夫琅和费（—1826）也对衍射现象进行了研究，但他与菲涅耳的研究不同，理论也更简单.菲涅耳演示的衍射实验，其光源和屏距衍射孔都不是无限远，因而对衍射孔都有一个张角．而夫琅和费研究衍射现象，将望远镜对准狭缝光源，并让狭缝成像在目镜的焦平面附近，这样入射光与出射光都是平行光，可以认为光源和光屏距衍射孔是无限远.我们把这种方式产生的衍射称为“夫琅和费衍射”，而前者称“菲涅耳衍射”.可以看出，夫琅和费衍射是菲涅耳衍射的一种极限情形，而且数学上更容易处理.�当然，菲涅耳的理论也不无缺点，菲涅耳开始把光波看作纵波，不能解释光的偏振，因此竭力回避这些问题.一直到马吕斯（—1812）发现了光的偏振现象后，菲涅耳才根据杨氏的提议把光看成是横波，这样不仅完善了光的波动说，而且由此出发，解释了光的偏振现象，完成了他对光偏振的一系列研究，这是他对波动光学的又一贡献.菲涅耳于1823年被选为巴黎科学院院士，1825年又被选为伦敦皇家学会会员，遗憾的是，菲涅耳卓有成就的一生太短暂了，他只活了39岁，于1827年因患肺病，在巴黎附近的乡间逝世.�还有一事值得一提，杨氏与菲涅耳先后都对波动光学作出了重要贡献，但他们之间并无激烈的优先权之争，他们之间的关系是友好与谦恭的.菲涅耳在1816年给杨氏的信中说道：“如果有什么能够安慰我没有获得优先权的利益的话，那就是：对我来说我遇到了以如此大量的重要发现丰富了物理学的学者，同时他大大地有助于加强对于我所采用的理论的信心”.而杨氏在1819年给菲涅耳的信中写道“先生，我为您赠送令人敬羡的论文表示万分感谢，在对光学进展最有贡献的许多论文中，您的论文确实也是有很高的地位的。”
高分辨率光学显微术在生命科学中的应用【摘要】 提高光学显微镜分辨率的研究主要集中在两个方面进行，一是利用经典方法提高各种条件下的空间分辨率，如用于厚样品研究的SPIM技术，用于快速测量的SHG技术以及用于活细胞研究的MPM技术等。二是将最新的非线性技术与高数值孔径测量技术（如STED和SSIM技术）相结合。生物科学研究离不开超高分辨率显微术的技术支撑，人们迫切需要更新显微术来适应时代发展的要求。近年来研究表明，光学显微镜的分辨率已经成功突破200nm横向分辨率和400nm轴向分辨率的衍射极限。高分辨率乃至超高分辨率光学显微术的发展不仅在于技术本身的进步，而且它将会极大促进生物样品的研究，为亚细胞级和分子水平的研究提供新的手段。【关键词】 光学显微镜；高分辨率；非线性技术；纳米水平在生物学发展的历程中显微镜技术的作用至关重要，尤其是早期显微术领域的某些重要发现，直接促成了细胞生物学及其相关学科的突破性发展。对固定样品和活体样品的生物结构和过程的观察，使得光学显微镜成为绝大多数生命科学研究的必备仪器。随着生命科学的研究由整个物种发展到分子水平，显微镜的空间分辨率及鉴别精微细节的能力已经成为一个非常关键的技术问题。光学显微镜的发展史就是人类不断挑战分辨率极限的历史。在400～760nm的可见光范围内，显微镜的分辨极限大约是光波的半个波长，约为200nm，而最新取得的研究成果所能达到的极限值为20～30nm。本文主要从高分辨率三维显微术和高分辨率表面显微术两个方面，综述高分辨率光学显微镜的各种技术原理以及近年来在突破光的衍射极限方面所取得的研究进展。1 传统光学显微镜的分辨率光学显微镜图像的大小主要取决于光线的波长和显微镜物镜的有限尺寸。类似点源的物体在像空间的亮度分布称为光学系统的点扩散函数(point spread function, PSF)。因为光学系统的特点和发射光的性质决定了光学显微镜不是真正意义上的线性移不变系统，所以PSF通常在垂直于光轴的x-y平面上呈径向对称分布，但沿z光轴方向具有明显的扩展。由Rayleigh判据可知，两点间能够分辨的最小间距大约等于PSF的宽度。根据Rayleigh判据，传统光学显微镜的分辨率极限由以下公式表示[1]：横向分辨率(x-y平面)：dx，y=■轴向分辨率(沿z光轴)：dz=■可见，光学显微镜分辨率的提高受到光波波长λ和显微镜的数值孔径等因素的制约；PSF越窄，光学成像系统的分辨率就越高。为提高分辨率，可通过以下两个途径：（1）选择更短的波长；（2）为提高数值孔径, 用折射率很高的材料。Rayleigh判据是建立在传播波的假设上的，若能够探测非辐射场，就有可能突破Rayleigh判据关于衍射壁垒的限制。2 高分辨率三维显微术在提高光学显微镜分辨率的研究中，显微镜物镜的像差和色差校正具有非常重要的意义。从一般的透镜组合方式到利用光阑限制非近轴光线，从稳定消色差到复消色差再到超消色差，都明显提高了光学显微镜的成像质量。最近Kam等[2]和Booth等[3]应用自适应光学原理，在显微镜像差校正方面进行了相关研究。自适应光学系统由波前传感器、可变形透镜、计算机、控制硬件和特定的软件组成，用于连续测量显微镜系统的像差并进行自动校正。 一般可将现有的高分辨率三维显微术分为3类：共聚焦与去卷积显微术、干涉成像显微术和非线性显微术。 共聚焦显微术与去卷积显微术 解决厚的生物样品显微成像较为成熟的方法是使用共聚焦显微术(confocal microscopy) [4]和三维去卷积显微术(three-dimensional deconvolution microscopy, 3-DDM) [5]，它们都能在无需制备样品物理切片的前提下，仅利用光学切片就获得样品的三维荧光显微图像。共聚焦显微术的主要特点是，通过应用探测针孔去除非共焦平面荧光目标产生的荧光来改善图像反差。共聚焦显微镜的PSF与常规显微镜的PSF呈平方关系，分辨率的改善约为■倍。为获得满意的图像，三维共聚焦技术常需使用高强度的激发光，从而导致染料漂白，对活生物样品产生光毒性。加之结构复杂、价格昂贵，从而使应用在一定程度上受到了限制。3-DDM采用软件方式处理整个光学切片序列，与共聚焦显微镜相比，该技术采用低强度激发光，减少了光漂白和光毒性，适合对活生物样品进行较长时间的研究。利用科学级冷却型CCD传感器同时探测焦平面与邻近离焦平面的光子，具有宽的动态范围和较长的可曝光时间，提高了光学效率和图像信噪比。3-DDM拓展了传统宽场荧光显微镜的应用领域受到生命科学领域的广泛关注[6]。 选择性平面照明显微术 针对较大的活生物样品对光的吸收和散射特性，Huisken[7]等开发了选择性平面照明显微术(selective plane illumination microscopy，SPIM)。与通常需要将样品切割并固定在载玻片上的方式不同，SPIM能在一种近似自然的状态下观察2～3mm的较大活生物样品。SPIM通过柱面透镜和薄型光学窗口形成超薄层光，移动样品获得超薄层照明下切片图像，还可通过可旋转载物台对样品以不同的观察角度扫描成像，从而实现高质量的三维图像重建。因为使用超薄层光，SPIM降低了光线对活生物样品造成的损伤，使完整的样品可继续存活生长，这是目前其他光学显微术无法实现的。SPIM技术的出现为观察较大活样品的瞬间生物现象提供了合适的显微工具，对于发育生物学研究和观察细胞的三维结构具有特别意义。 结构照明技术和干涉成像 当荧光显微镜以高数值孔径的物镜对较厚生物样品成像时，采用光学切片是一种获得高分辨3D数据的理想方法，包括共聚焦显微镜、3D去卷积显微镜和Nipkow 盘显微镜等。1997年由Neil等报道的基于结构照明的显微术，是一种利用常规荧光显微镜实现光学切片的新技术，并可获得与共聚焦显微镜一样的轴向分辨率。干涉成像技术在光学显微镜方面的应用1993年最早由Lanni等提出，随着I5M、HELM和4Pi显微镜技术的应用得到了进一步发展。与常规荧光显微镜所观察的荧光相比，干涉成像技术所记录的发射荧光携带了更高分辨率的信息。（1）结构照明技术：结合了特殊设计的硬件系统与软件系统，硬件包括内含栅格结构的滑板及其控制器，软件实现对硬件系统的控制和图像计算。为产生光学切片，利用CCD采集根据栅格线的不同位置所对应的原始投影图像，通过软件计算，获得不含非在焦平面杂散荧光的清晰图像，同时图像的反差和锐利度得到了明显改善。利用结构照明的光学切片技术，解决了2D和3D荧光成像中获得光学切片的非在焦平面杂散荧光的干扰、费时的重建以及长时间的计算等问题。结构照明技术的光学切片厚度可达，轴向分辨率较常规荧光显微镜提高2倍，3D成像速度较共聚焦显微镜提高3倍。（2）4Pi 显微镜：基于干涉原理的4Pi显微镜是共聚焦/双光子显微镜技术的扩展。4Pi显微镜在标本的前、后方各设置1个具有公共焦点的物镜，通过3种方式获得高分辨率的成像：①样品由两个波前产生的干涉光照明；②探测器探测2个发射波前产生的干涉光；③照明和探测波前均为干涉光。4Pi显微镜利用激光作为共聚焦模式中的照明光源，可以给出小于100nm的空间横向分辨率，轴向分辨率比共聚焦荧光显微镜技术提高4~7倍。利用4Pi显微镜技术，能够实现活细胞的超高分辨率成像。Egner等[8，9]利用多束平行光束和1个双光子装置，观测活细胞体内的线粒体和高尔基体等细胞器的精微细节。Carl[10]首次应用4Pi显微镜对哺乳动物HEK293细胞的细胞膜上离子通道类别进行了测量。研究表明，4Pi显微镜可用于对细胞膜结构纳米级分辨率的形态学研究。（3）成像干涉显微镜(image interference microscopy, I2M)：使用2个高数值孔径的物镜以及光束分离器，收集相同焦平面上的荧光图像，并使它们在CCD平面上产生干涉。1996年Gustaffson等用这样的双物镜从两个侧面用非相干光源（如汞灯）照明样品，发明了I3M显微镜技术(incoherent, interference, illumination microscopy, I3M），并将它与I2M联合构成了I5M显微镜技术。测量过程中，通过逐层扫描共聚焦平面的样品获得一系列图像，再对数据适当去卷积，即可得到高分辨率的三维信息。I5M的分辨范围在100nm内。 非线性高分辨率显微术 非线性现象可用于检测极少量的荧光甚至是无标记物的样品。虽有的技术还处在物理实验室阶段，但与现有的三维显微镜技术融合具有极大的发展空间。（1）多光子激发显微术：(multiphoton excitation microscope，MPEM)是一种结合了共聚焦显微镜与多光子激发荧光技术的显微术，不但能够产生样品的高分辨率三维图像，而且基本解决了光漂白和光毒性问题。在多光子激发过程中，吸收几率是非线性的[11]。荧光由同时吸收的两个甚至3个光子产生，荧光强度与激发光强度的平方成比例。对于聚焦光束产生的对角锥形激光分布，只有在标本的中心多光子激发才能进行，具有固有的三维成像能力。通过吸收有害的短波激发能量，明显地降低对周围细胞和组织的损害，这一特点使得MPEM成为厚生物样品成像的有力手段。MPEM轴向分辨率高于共聚焦显微镜和3D去卷积荧光显微镜。（2）受激发射损耗显微术：Westphal[12]最近实现了Hell等在1994年前提出的受激发射损耗(stimulated emission depletion, STED）成像的有关概念。STED成像利用了荧光饱和与激发态荧光受激损耗的非线性关系。STED技术通过2个脉冲激光以确保样品中发射荧光的体积非常小。第1个激光作为激发光激发荧光分子；第2个激光照明样品，其波长可使发光物质的分子被激发后立即返回到基态，焦点光斑上那些受STED光损耗的荧光分子失去发射荧光光子的能力，而剩下的可发射荧光区被限制在小于衍射极限区域内，于是获得了一个小于衍射极限的光点。Hell等已获得了28nm的横向分辨率和33nm的轴向分辨率[12,13]，且完全分开相距62nm的2个同类的分子。近来将STED和4Pi显微镜互补性地结合，已获得最低为28nm的轴向分辨率,还首次证明了免疫荧光蛋白图像的轴向分辨率可以达到50nm[14]。（3）饱和结构照明显微术：Heintzmann等[15]提出了与STED概念相反的饱和结构照明显微镜的理论设想，最近由Gustafsson等[16]成功地进行了测试。当光强度增加时，这些体积会变得非常小，小于任何PSF的宽度。使用该技术，已经达到小于50nm的分辨率。（4）二次谐波 (second harmonic generation, SHG)成像利用超快激光脉冲与介质相互作用产生的倍频相干辐射作为图像信号来源。SHG一般为非共振过程，光子在生物样品中只发生非线性散射不被吸收，故不会产生伴随的光化学过程，可减小对生物样品的损伤。SHG成像不需要进行染色,可避免使用染料带来的光毒性。因其对活生物样品无损测量或长时间动态观察显示出独特的应用价值，越来越受到生命科学研究领域的重视[17]。3 表面高分辨率显微术表面高分辨率显微术是指一些不能用于三维测量只适用于表面二维高分辨率测量的显微技术。主要包括近场扫描光学显微术、全内反射荧光显微术、表面等离子共振显微术等。 近场扫描光学显微术 近场扫描学光显微术(near-field scanning optical microscope, NSOM)是一种具有亚波长分辨率的光学显微镜。由于光源与样品的间距接近到纳米水平，因此分辨率由光探针口径和探针与样品之间的间距决定，而与光源的波长无关。NSOM的横向分辨率小于100nm，Lewis[18]则通过控制在一定针尖振动频率上采样，获得了小于10nm的分辨率。NSOM具有非常高的图像信噪比，能够进行每秒100帧图像的快速测量[19]，NSOM已经在细胞膜上单个荧光团成像和波谱分析中获得应用。 全内反射荧光显微术 绿色荧光蛋白及其衍生物被发现后，全内反射荧光(total internal reflection fluorescence，TIRF)技术获得了更多的重视和应用。TIRF采用特有的样品光学照明装置可提供高轴向分辨率。当样品附着在离棱镜很近的盖玻片上，伴随着全内反射现象的出现，避免了光对生物样品的直接照明。但因为波动效应，有小部分的能量仍然会穿过玻片与液体介质的界面而照明样品，这些光线的亮度足以在近玻片约100nm的薄层形成1个光的隐失区，并且激发这一浅层内的荧光分子[20]。激发的荧光由物镜获取从而得到接近100nm的高轴向分辨率。TIRF近来与干涉照明技术结合应用在分子马达步态的动力学研究领域, 分辨率达到8nm，时间分辨率达到100μs[21]。 表面等离子共振 表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR) [22]是一种物理光学现象。当入射角以临界角入射到两种不同透明介质的界面时将发生全反射，且反射光强度在各个角度上都应相同，但若在介质表面镀上一层金属薄膜后，由于入射光被耦合入表面等离子体内可引起电子发生共振，从而导致反射光在一定角度内大大减弱，其中使反射光完全消失的角度称为共振角。共振角会随金属薄膜表面流过的液相的折射率而改变，折射率的改变又与结合在金属表面的生物分子质量成正比。表面折射率的细微变化可以通过测量涂层表面折射光线强度的改变而获得。1992年Fagerstan等用于生物特异相互作用分析以来，SPR技术在DNA-DNA生物特异相互作用分析检测、微生物细胞的监测、蛋白质折叠机制的研究，以及细菌毒素对糖脂受体亲和力和特异性的定量分析等方面已获得应用[23]。当SPR信息通过纳米级孔道[24]传递而提供一种卓越的光学性能时，将SPR技术与纳米结构设备相结合，该技术的深入研究将有可能发展出一种全新的成像原理显微镜。【参考文献】[1] 汤乐民,丁 斐.生物科学图像处理与分析[M].北京:科学出版社,2005：205.[2] Kam Z, Hanser B, Gustafsson MGL, et adaptive optics for live three-dimensional biological imaging[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2001,98:3790-3795.[3] Booth MJ, Neil MAA, Juskaitis R, et al. Adaptive aberration correction in a confocal microscope[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2002, 99:5788-5792.[4] Goldman RD,Spector cell imaging a laboratory manual[J].Gold Spring Harbor Laboratory Press,2005.[5] Monvel JB,Scarfone E,Calvez SL,et deconvolution for three-dimensional deep biological imaging[J].Biophys,2003,85:3991-4001.[6] 李栋栋,郭学彬,瞿安连.以三维荧光反卷
金融市场的量化密码系列文章（3） 已知的已知 作者：Michael Zhang 麦教授 在上一篇文章（ 如何用两维思维方式解读苏格拉底悖论 ）的最后，麦教授提到了用两维的思维方式去解读苏格拉底那句“我知道我什么也不知道”的悖论。在接下来的几篇文章里，麦教授将继续带领大家一起做思维升级，从“已知的已知”出发，分别探讨“已知的未知”、“未知的已知”和“未知的未知”。 “已知的已知”指的是我们会在教科书中看到的内容，是《心经》里说的“色声香味触法”。我们可以精确地计算星体的轨道，我们可以做出专门解决特定病症的靶向药，我们知道好的投资收益率来自于公司的基本面变化。也就是说，对于这些事，我们知道了事物运作的基本逻辑。 我们也知道市场很难预测，学术界研究金融几十年了，这些工作得到的基本结论是： （1）从资产定价（asset pricing）角度来看：市场因为无法预测，所以可以用有效市场假设（Efficient Market Hypothesis, EMH）来分析； （2）从行为金融（behavioral finance）角度来看：投资者因为有各种决策偏差（decisionbiases），市场并不有效。 有效市场理论作为“已知的已知”在学术界占据了很长一段时间的主导地位，后来受到了行为金融理论的挑战。有效市场假说的奠基人尤金·法玛（Eugene Fama）和行为金融的奠基人罗伯特·席勒（Robert Shiller）在2013年同时获得了诺贝尔经济学奖。这两个学派争论了几十年的看似矛盾的观点，其实从不同的角度看可能都是对的。 即便是严谨的物理学也不例外，牛顿力学在几百年的时间里被认为是真理，但是20世纪出现了相对论和量子力学之后，这个“已知的已知”其实也只在一定范围内有效，并不是绝对的已知。 初出茅庐，年仅29岁的牛顿（Isaac Newton）在1672年2月8日在英国皇家学会（Royal Society）宣讲了一篇光的色散的论文，认为光是由微粒组成的，一束光就像是一把枪发射出来的无数微小的光粒，而光的色散则像是不同颜色的微粒可以通过三棱镜分开，变成一束束同样颜色的光束。 牛顿的死对头胡克（Robert Hooke）对微粒说做了强烈的批评。胡克去世后，牛顿让皇家学会取下了胡克的肖像，所以今天我们看到的胡克肖像是画家凭空想出来的。随着牛顿的贡献越来越大，他的影响也越来越大，虽然胡克等人支持的波动说也有很强的理论意义，但是微粒说在牛顿的影响下，变成了主流的“已知的已知”。 1690年，荷兰物理学家惠更斯（Christiaan Huygens）发表了《光论》，论述了光的波动学说，但是仍然没有撼动牛顿的影响力。微粒说直到100多年后才被托马斯·杨（Thomas Young）和法国科学家奥古斯丁·菲涅耳（Augustin Fresnel）做的支持波动说的实验结果所质疑。 这里有一个有趣的关于科学方法论的故事。 一个科学知识要建立，最重要的是要能够被证伪。 菲涅耳提交了一篇光的衍射的论文之后，他遇到了最强有力的批评来自于法国科学院院士泊松（Siméon Denis Poisson）（泊松对概率分布的贡献很大，以后会讲到以他名字命名的“泊松分布”）。泊松不支持波动说，他说你这个结论是错的，因为如果有你说的衍射，光穿过一个玻璃圆盘就应该在阴影中间出现一个亮斑。结果大家做了一个实验，真的有亮斑！于是这个支持波动说的实验结果就被命名为“泊松亮斑”。证伪的过程中证实，干得实在漂亮。 科学家可以有自己的出发和立足点，但是科学最终总是公平的。 有了强有力的实验结果支持，波动说大获全胜就取代了曾经的“已知的已知”微粒说。微粒说不得不从“已知的已知”的真理清单里面删掉。 然而，100年后，事情又有了转机。 爱因斯坦（Albert Einstein）在1905年写了一篇后来让他拿到诺贝尔物理学奖的论文，用光量子（photon）这个微粒的概念解释了光电效应。也就说明了，在量子力学的哥本哈根诠释（Copenhagen interpretation）下，波函数会坍塌成粒子，于是微粒说也没有错，它又回到了真理清单上来。 不过这也不是永久的，50年后的1957年，一个年轻的物理学博士生休·埃弗雷特 （Hugh Everett III）在他的博士论文里从数学的角度通过薛定谔方程推导出了对量子力学的多世界诠释（the multi-world interpretation）。他认为根本不存在微粒和波函数的争论，波函数永远不会坍塌成微粒，所有观测到的量子力学现象都是由于观测导致了宇宙的分裂成为多个平行宇宙。 这个想法太惊世骇俗，所以他当时必须缩短论文篇幅，让论文不显得这么奇怪才可以毕业。 这算是推翻微粒说了吗？也并没有。因为论文得不到物理学界的支持，埃弗雷特毕业后很难在学术圈立足，他去了军队做应用数学和编程，郁郁不得志，每天酗酒，51岁就去世了。而在他去世之后，他的理论逐渐有更多的人开始支持，开始沿着这个思路继续推进。 所以虽然人类对未知的 探索 逐渐深入并有了越来越多的研究成果，“已知的已知”并不一定是增加的。 连严谨的科学里都没有绝对的真理，“已知的已知”这个概念很大程度上就是个伪命题了 。 随着我们的认知的提高，很多“已知的已知”可能会被新的知识挑战，而激发出更多的“已知的未知”。 实际上，苏格拉底最终可能被证明是对的：也许根本不存在“已知的已知”！ 换句话说，虽然人类的知识一直在积累，但是越来越多的“已知的已知”会被推翻，最终第一象限可能就是一个空集，于是苏格拉底说 I know that I know nothing。 这并不是说我们就不要追求“已知的已知”了，我们做的所有的去推翻旧的理论的研究，目的都是希望在做判断的时候有目前为止最好的方法，也许并不完美，但是是目前已知最好的就可以了。对金融市场的理解也是这样， 也许最终我们也不知道什么是正确答案，但是我们不会停下来，我们会通过提高自己的认知来加深对市场的理解，和 探索 宇宙的奥妙一样，对金融市场理解上的任何小小的进步都会得到巨大的回报。 金融市场的量化密码系列文章 如何用两维思维方式解读苏格拉底悖论 不可能发生的事（1987年） 《金融市场的量化密码》系列专栏——前言
Theta为衍射角，Lambda为波长，b为单缝宽度
题 目 : [物理实验] 波的衍射实验论文 尺 寸 : 波的衍射实验论文.doc 目 录 : 1.衍射现象2.衍射理论3.惠更斯原理4.微波布拉格衍射原理5.菲涅耳原理6.衍射图象7.光栅的衍射原 文 : 衍射现象：光波在传播过程中遇到障碍物，偏离直线传播而进入阴影区域，光强重新分布，这种现象称为光的衍射现象。衍射理论：惠更斯原理：波在媒质中传播到的各点，都可看成新的子波源。在以后的任一时刻，这些子波的包络面就是该时刻的波前。惠更斯原理只能定性地解释波的衍射，不能给是具体波的强度。菲涅耳在惠更斯原理基础上加以补充，提出了子波相干叠加的概念。微波布拉格衍射原理： 晶面的密勒指数标记法：固态物质可分为晶体和非晶体两类。食盐、 方解石、金钢石、金属等属晶体，玻璃、松香、沥青等是非晶体。从微观结构上看，组成晶体的微粒有规则地、周期地排列成一定的结晶格子，简称晶格。最简单的晶格是立方体结构，这种结构只要用边长为a的正立方体沿三个直角坐标轴重复就可得到整个空间点阵。a称为晶体常数，通过任一格点，可以画出全同的晶面和某一晶面平行，构成一组平行晶面，所有的格点都在一族平行的晶面上而无遗漏，这样一族晶面不仅平行，而且等距，各晶面上格点的分布情况相同。晶体中有无限多族平等晶面，因此要有一个标记这些晶面族的方法。一般采用密勒指数法。设某一晶面与X、Y、Z三个坐标轴的截距分别为x、y、z，把三个截距的倒数1/x、1/y、1/z进行通分，取x、y、z的最小公倍数作为分母，得到三个分子分别为h、k、l，则此平面的密勒指数为（hkl）。当然与此平面平行的所有平面的密勒指数也是（hkl）。 看看这个：
单缝衍射测缝宽实验 一、实验目的 １．观察单缝衍射现象及其特点； ２．用硅光电池测量单缝衍射的光强分布； ３．用单缝衍射的规律计算单缝缝宽； 二、实验原理： 光在传播过程中遇到障碍物时将绕过障碍物，改变光的直线传播，称为光的衍射。当障碍物的大小与光的波长大得不多时，如狭缝、小孔、小圆屏、毛发、细针、金属丝等，就能观察到明显的光的衍射现象，亦即光线偏离直线路程的现象。光的衍射分为夫琅和费衍射与费涅耳衍射，亦称为远场衍射与近场衍射。本实验只研究夫琅和费衍射。理想的夫琅和费衍射，其入射光束和衍射光束均是平行光。单缝的夫琅和费衍射光路图如下图所示。 a. 理论上可以证明只要满足以下条件，单缝衍射就处于夫琅和费衍射区域： a2a2 ???或L??? 88L 式中：a为狭缝宽度；L为狭缝与屏之间的距离；?为入射光的波长。 可以对L的取值范围进行估算：实验时，若取a?1?10m，入射光是He?Ne激光， ?4 其波长为， a2 ? ?，所以只要取L?20cm，就可满足夫琅和费衍射 的远场条件。但实验证明，取L?50cm，结果较为理想。 b. 根据惠更斯－费涅耳原理，可导出单缝衍射的相对光强分布规律： I ?(sinu/u)2 I0 式中： u?(?asin?)/? 暗纹条件：由上式知，暗条纹即I?0出现在 u?(?asin?)/????，??2?，? 即暗纹条件为 asin??k?，k??1，k??2，? 明纹条件：求I为极值的各处，即可得出明纹条件。令 d (sin2u/u2)?0 du 推得 u?tanu 此为超越函数，同图解法求得： u?0，?，?，?，? 即 asin??0，?，?，?，? 可见，用菲涅耳波带法求出的明纹条件 asin??(2k?1)?/2，k?1，2，3，? 只是近似准确的。 单缝衍射的相对光强分布曲线如下图所示，图中各级极大的位置和相应的光强如下： sin? ? ? ? I I0 . c. 应用单缝衍射的公式计算单缝缝宽 由暗纹条件：asin??k? 并由图有：Xk?Ltan?k 由于?很小，所以Xk?L?k?kL?/a 令b?Xk?1?Xk?L?/a（b为两相邻暗纹间距），则 a?L?/b（或a?L?/X1，X1为中央明纹半宽度） 由此可见，条纹间距b正比于L和?，反比于缝宽a。由实验曲线测出b（取平均值），即可算出缝宽a。 d. 实验证明，若将单缝衍射的光路图中的单缝换成金属细丝，屏上夫琅和费花样和同样宽度的单缝衍射花样是一样的，故只需将单缝宽度a用金属细丝直径d代替，就可完全应用以上的理论和公式。 四、实验内容和步骤： 1. 实验主要内容是观察单缝衍射现象，测量单缝衍射的光强分布，并计算出缝宽a。 实验中用硅光电池作光强I的测量器件。硅光电池能直接变为电能，在一定的光照范围内，光电池的光电流i与光照强度I成正比。本实验用的是WJH型数字式检流计，以数字显示来检测光电流。它是采用低漂移运算放大器、模/数转换器和发光数码管将光电流a进行处理，从而将光强I以数字显示出来。 a．按下图接好实验仪器，先目测粗调，使各光学元件同轴等高，要注意将激光器调平； b．激光器与单缝之间的距离以及单缝与一维光强测量装置之间的距离均置为50cm左
本科毕业设计（论文）文献综述院 （系）：专 业：班 级：学生姓名： 学 号:年 月 日本科生毕业设计（论文）文献综述评价表毕业设计（论文）题目综述名称 注意综述名称（综述内容中不要出现本课题怎么样等等）评阅教师姓名 职称评 价 项 目 优 良 合格 不合格综述结构 01 文献综述结构完整、符合格式规范综述内容 02 能准确如实地阐述参考文献作者的论点和实验结果03 文字通顺、精练、可读性和实用性强04 反映题目所在知识领域内的新动态、新趋势、新水平、新原理、新技术等参考文献 05 中、英文参考文献的类型和数量符合规定要求，格式符合规范06 围绕所选毕业设计（论文）题目搜集文献成绩综合评语：评阅教师（签字）：年 月 日文献综述： 小四号宋空一行标题 二号黑居中空一行1 XXX 三号黑XXX 小四号宋，行距20磅 XXXX 小三号黑XXX 小四号宋，行距20磅 XXX 四号黑XXX 小四号宋，行距20磅空一行2 XXXX 三号黑(空1行)参 考 文 献(空1行)[要求按国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》书写，例如：][1] 袁庆龙，候文义．Ni-P合金镀层组织形貌及显微硬度研究［J］．太原理工大学学报，2001，32(1)：51-53 ．（宋体五号，行距固定值20磅）[2] 刘国钧，王连成．图书馆史研究［M］．北京：高等教育出版社，1979：15-18，31．下面的是我的文献综述文献综述:FTO透明导电薄膜的溅射法制备1 前言为了更好的开展毕业论文及毕业实验工作，在查找和阅读与《DSSC用FTO透明导电玻璃的溅射法制备》相关的文献和资料，完成撰写了本文献综述。随着科技的日趋成熟，导电玻璃的制备方法也越来越成熟，种类也衍生得越来越多。本文章将对国内外的制备方法，种类，发展现状及趋势，工艺性能，退火处理对性能的影响等方面做一简要介绍。2透明导电玻璃的种类及制备方法简介透明导电玻璃的种类 .1 TCO导电玻璃TCO（Transparent Conductive Oxide）玻璃，即透明导电氧化物镀膜玻璃，是指在平板玻璃表面通过物理或化学镀膜方法均匀的镀上一层透明的导电氧化物薄膜而形成的组件.主要包括铟、锡、锌、铬的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。 ITO透明导电玻璃ITO透明导电玻璃全称为氧化铟锡(Indium-Tin Oxide)透明导电膜玻璃,多通过ITO导电膜玻璃生产线,在高度净化的厂房环境中,利用平面磁控技术,在超薄玻璃上溅射氧化铟锡导电薄膜镀层并经高温退火处理得到的高技术产品。 ITO玻璃产品广泛地用于液晶显示器(LCD)、太阳能电池、微电子ITO导电膜玻璃、光电子和各种光学领域。透明导电玻璃FTO透明导电玻璃为掺杂氟的SnO2导电玻璃(SnO2:F)，简称为FTO。FTO玻璃可以做为ITO导电玻璃的替换用品，广泛用于液晶显示屏，光催化，薄膜太阳能电池基底等方面，市场需求极大. FTO玻璃因其特殊性，在染料敏化太阳能电池，电致变色和光催化方面对其透光率和导电率都有很高的要求，其综合性能常用直属FTC来评价：FTC＝T10／RS。T是薄膜的透光率，RS是薄膜的方阻值；在光学应用方面，则要求其对可见光有好的透射性和对红外有良好的反射性。对其基本要求是：①表面方阻低，②透光率高，③面积大、重量轻，④易加工、耐冲击。透明导电玻璃制备方法FTO透明导电玻璃的制备方法有，物理方法：溅射法、真空蒸发镀膜法、离子辅助沉积镀膜法等；化学方法：喷雾热解法、溶胶-凝胶法和化学气相沉积法等。目前适合批量生产且研发较多的有真空蒸发镀膜法、磁控溅射法、化学气相沉积法和喷雾热解等方法！［1］化学气相沉积法和真空镀膜法制备的薄膜和玻璃基板的结合强度不够，溶胶-凝胶法制备的导电薄膜电阻较高。适合于批量生产且已经形成产业的工艺，只有磁控溅射法和溶胶－凝胶法。特别是，溅射法由于具有良好的可控性和易于获得大面积均匀的薄膜。磁控溅射法镀膜：溅射镀膜(sputtering deposition)是指用离子轰击靶材表面，使靶材的原子被轰击出来，溅射产生的原子沉积在基体表面形成薄膜。溅射镀膜有二级、三级或四级溅射、磁控溅射、射频溅射、偏压溅射、反应溅射、离子束溅射等装置。目前最常用的制备CoPt 磁性薄膜的方法是磁控溅射法。磁控溅射法是在高真空充入适量的氩气，在阴极（柱状靶或平面靶）和阳极（镀膜室壁） 之间施加几百K 直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离。氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。真空蒸发镀膜：真空蒸发镀膜(vacuum vapor deposition)是在工作压强低于10-2 Pa，用蒸发器加热物质使之汽化蒸发到基片，并在基片上沉积形成固态薄膜的一种工艺方法。真空蒸发的加热方式主要有电阻加热蒸发、电子束加热蒸发、高频加热蒸发和激光加热蒸发等。对于镀制透明导电氧化物薄膜而言，其真空蒸发镀膜工艺一般有三种途径：(1)直接蒸发氧化物；(2)采用反应蒸发镀，即在蒸发金属的同时通入氧气进行化学反应生成金属氧化物；(3)对蒸发金属镀膜进行氧化处理。溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法(so1-gel)是近年来发展起来的能代替高温固相合成反应制备陶瓷、玻璃和许多固体薄膜材料的一种新方法。它将金属醇盐或无机盐经溶液、溶胶、凝胶而周化，再将凝胶低温处理变为氧化物的方法，是应用胶体化学原理制各无机材料的一种湿化学方法。溶胶-凝胶工艺是一种制备多元氧化物薄膜的常用方法。按工艺可分为浸涂法和旋涂法。浸涂法是将衬底浸人含有金属离子的前驱体溶液中，以均匀速度将其提拉出来，在含有水分的空气中发生水解和聚合反应，最后通过热处理形成所需薄膜；而旋涂法则是通过将前体溶液滴在衬底后旋转衬底获得湿膜。化学气相沉积法：化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态薄膜沉积在加热的固态衬底表面，是一种重要的薄膜制各方法。CVD法所选的反应体系必须满足：(1)在沉积温度下，反应物必须有足够的蒸汽压；(2)化学反应产物除了所需的沉积物为固态外，其余必须为气态；(3)沉积物的蒸汽压应足够低，以保证能较好地吸附在具有一定温度的基体上，但此法因必须制各具有高蒸发速率的铟锡前驱物而使生产成本较高。影响化学气相沉积薄膜的工艺参数很多，包括基体温度、气压、工作气体流量和反应物及其浓度等。化学气相沉积技术的主要特点包括：设备及工艺简单、操作维护方便、灵活性强；适合在各种形状复杂的部件上沉积薄膜：由于设备简单，薄膜制备的成本也比较低。但是，薄膜的表面形貌很大程度上受到化学反应特性以及能量撒活方式的影响。喷雾热分解法：喷雾热分解法是化学法成膜的一种，其过程与APCVD法比较相似。它是将前驱体溶液在高压载气的作用下雾化，然后输送到基片表面，在高温作用下，前驱体溶液发生一系列复杂的化学反应，在基片表面上得到需要的薄膜材料。而反应副产物一般是通过气相形式排出反应腔。常用的高压载气主要有：压缩空气、氮气、氩气等等。但是由于压缩空气中常含有大量的水蒸气，所以用氮气作为载气的情形比较多。如果需要在基片表面上发生分解反应，基片温度一般在300℃以上，在玻璃上制备FTO薄膜的基片温度一般为500℃。影响最终薄膜性能的喷涂参数有：载气压力、前驱体溶液流量、基片温度、喷口与基片的距离、喷枪移动速度等等［2］。在成膜过程中基材的温度、液体的流速、压缩气体的压力以及喷嘴到基材的距离等参数均可实现精确控制［3］。3 FTO透明导电玻璃的研究现状、应用及发展趋势透明导电玻璃的研究现状自1907年Badeker首次报道了热氧化溅射的Cd薄膜生成半透明导电的CdO薄膜，引发了对透明导电氧化物(TCO)薄膜的研究。1950年前后出现了硬度高，化学稳定性好的SnO2基薄膜及综合光电性能优良的In2O3基薄膜，ZnO基薄膜的研究始于2O世纪80年代 。目前研究和应用较多的TCO薄膜主要有SnO2、In2O3。和ZnO基三大体系，其中以In203：Sn(ITO)，SnO2 ：F(FTO)和ZnO：Al(ZAO)最具代表性，这些薄膜具有高载流子浓度(1018～1021cm-3)和低电阻率(10-3～1O-4Ω•cm)，且可见光透射率8O％～90％，使这些薄膜已被广泛应用于平面显示、建筑和太阳光伏能源系统中。［4］ 已经商业化应用的TCO薄膜主要是In2O3Sn(ITO)和SnO2：F(FTO)2类，ITO由于其透明性好，电阻率低，易刻蚀和易低温制备等优点，一直是显示器领域中的首选TCO薄膜。FTO薄膜由于其化学稳定性好，生产设备简单，生产成本低等优点在节能视窗等建筑用大面积TCO薄膜中，具有很大的优势［5］。Sn02：F（FTO）掺杂体系是一种n型半导体材料，表现出优良的电学和光学性能，并且耐腐蚀，耐高温，成本低，化学稳定性好，是现在研究较多，应用范围较广的一类TCO薄膜。苗莉等［6］采用喷雾热解法，以NH4F、SnCl2•2H20为原料，在普通玻璃衬底上制备出了方块电阻最低达到Ω/口，可见光透光率为％的FTO薄膜，且薄膜晶粒均匀，表面形貌平整致密。Yadav等［7］采用喷雾热解法，制备了不同厚度的FTO薄膜，最低电阻率达到 X 10-4 Ω•cm。Moholkar等［8］采用喷雾热解法，制备了不同掺F浓度的FTO薄膜，研究了氟的掺杂浓度对Sn02薄膜的光学，结构和电学性能的影响。中国科学院等离子体物理研究所的戴松元小组［9、10］将FTO用于染料敏化太阳电池的透明电极，并获得较高的光电转换效率。射频溅射：射频溅射的基本原理是射频辉光放电。国内外射频溅射普遍选用的射频电源频率为13．56MHz,以防止射频信号与无线电信号的相互干扰。通常直流溅射的基本过程是，从阴极发出的电子，经过电场的加速后获得足够的能量，可以使气氛气体发生电离。正离子在电场作用下撞击阴极表面，溅射出阴极表面的原子、分子到衬底表面发生吸附、凝聚，最终成膜。直流溅射不能用于绝缘体材料的薄膜制备，因为绝缘材料在受到正离子轰击时，靶材表面的正离子无法中和，使靶表面的电位逐渐升高，导致阴极靶与阳极问的电场减小，当靶表面电位上升到一定程度时，可以使气体无法电离，溅射无法进行。而射频溅射适合于任何一种类型的阻抗耦合，电极和靶材并不需要是导体，射频溅射非常适合于制备半导体、绝缘体等高熔点材料的薄膜。在靶材表面施加射频电压，当溅射处于上半周时，由于电子的质量比离子的质量小很多，故其迁移率很高，用很短时间就可以飞向靶面，中和其表面积累的正电荷，从而实现对绝缘材料的溅射，并且在靶表面又迅速积累起了大量的电子，使其表面因空间电荷而呈现负电位，导致在射频溅射正半周期，也可吸引离子轰击靶材。从而实现了在电压正、负半周期，均可溅射。磁场的作用是将电子与高密度等离子体束缚在靶材表面，可以提高溅射速度。［11］用JPGF一450型射频磁控溅射系统在玻璃衬底上制备SnO2：F薄膜，系统的本底真空度为10-3Pa．溅射所用陶瓷靶是由纯度为％SnO2和NH4F，粉末经混合、球磨后压制成坯，再经1300℃烧结而成，靶中NH4F的重量比是％，用纯度为99．99％ 的氩气和氧气作为工作气体，由可控阀门分别控制气体的流量。溅射过程中，控制真空室内氩气压强为1Pa，氧分压为— Pa，靶与衬底间的距离为5cm．溅射功率为150W，溅射时间为25 min，衬底温度为100℃。用RIGAKU D／MAX—yA型x射线衍射(XRD)仪(CuKa辐射波长， nm)测试样品的结构，用APHM一0190型原子力显微镜(AFM)观测样品的表面形貌，使用 rv一1900型紫外可见光分光光度计测量样品的吸收谱，使用激发源为325 nm的He—Cd激光器的光谱仪测量样品的室温光致发光谱，使用普通的万电表测试它的导电性（前提是尽量保持测量条件的一致性）。透明导电玻璃的应用FTO透明导电玻璃具有优良的光电性能，被广泛用于太阳能电池的窗口材料、低损耗光波导电材料及各种显示器和非晶硅太阳能电池中作为透明玻璃电极等，与生活息息相关。在薄膜太阳电池上的应用太阳能电池是利用光伏效应，在半导体p-n结直接将太阳光的辐射能转化成电能的一种光电器件。TCO薄膜是太阳电池关键材料之一，可作为染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cells，DSCS)［12］等的透明电极，对它的要求是：具有低电阻率(方块电阻Rsh约为15Ω/□)；高阳光辐射透过率，即吸收率与反射率要尽可能低；化学和力学稳定性好的特点。在薄膜太阳电池中，透明导电膜充当电极，具有太阳能直接透射到作用区域几乎不衰减、形成p-n结温度较低、低接触电阻、可同时作为防反射薄膜等优点。在显示器上的应用显示器件能将外界事物的光、声、电等信息，经过变换处理，以图像、图形、数码、字符等适当形式加以显示。显示技术的发展方向是平板化。在众多平板显示器中，薄膜电致发光显示由于其主动发光、全固体化、耐冲击、视角大、适用温度宽、工序简单等优点，引起广泛关注，并发展迅速。FTO薄膜具有可见光透过率高、电阻率低、较好的耐蚀性和化学稳定性，因此被广泛用作平板显示器的透明电极。在气敏元件上的应用气体传感器是把气体的物理、化学性质变换成易处理的光、电、磁等信号的转换元件。半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。二氧化锡薄膜气敏器件具有灵敏度高、响应速度和恢复速度快、功耗低等特点，更重要的是容易集成。随着微电子技术的发展，传感器不断向智能化、微型化方向发展。［13］在建筑幕墙玻璃及透明视窗上的应用喷雾热解法制各的FTO薄膜能用于阳光节能玻璃，对可见光高透射，但对红外光高反射，其反射率大于70％。让阳光中可见光部分透过，而红外部分和远红外反射。阳光中的可见光部分对室内采光是必需的，但可将红外部分的热能辐射反射回去，能有效调节太阳光的入射和反射。利用FTO薄膜在可见光区的高透射性和对红外光的高反射性，可作为玻璃的防雾和防冰霜薄膜。 FTO透明导电玻璃的发展趋势随着LCD的商品化、彩色化、大型化和TFT的驱动或太阳能电池的能量转变效率的提高，人们对透明导电氧化物（TCO）薄膜的要求越来越严格，至少需要满足如下条件：(1)导电性能好，电阻率较低；(2)可见光内透光率较高：(3)镀膜温度更接近室温，能大面积均匀地镀膜；(4)膜层加工性能好，可以进行高精度低损伤腐蚀；(5)热稳定性及耐酸、碱性优良，硬度高；(6)表面形状良好，没有针孔；(7)价格较低，可实现大规模工业化生产。目前，TCO薄膜已普遍达到下列水平：膜厚为500 nm的情况下电阻率在10-4 Ω•cm数量级，在可见光区透光率达80％，载流子迁移率一般达到40cm2／(v•s)。虽然TCO薄膜的性能指标可以满足当前应用需要，但随着器件性能的不断提升，对TCO薄膜提出了更高的性能要求。一些学者提出了TCO薄膜发展的一个量化的前景指标：禁带宽度>3 eV，直流电阻率～5×10-5 Ω•cm，可见光段在自由电子作用下的吸收系数<2x103 cm-1，载流子迁移率>100 cm2／(v•s)。几十年来，人们一直在努力提高透明导电薄膜的透明性和导电性。SnO2：F（TFO）透明导电薄膜由于其兼备低电阻，高的可见光透过率，近红外高的反射率，优良的膜强度和化学稳定性等优点，越来越受到人们的青睐，必将在平板显示器件、建筑物玻璃和气敏传感器等众多领域中得到更广泛的应用。利用溅射法制备FTO透明导电玻璃它的生产工艺简单，操作方便，利于控制。成本较低，原料易得，但在制备过程中NH4F加热分解放出有污染的氮氧化物和氨烟，这对以后商业化生产造成了很大的制约。所以对原料的改进和污染的控制方面还有待开发。4 制备条件对膜结构及光电性能的影响长安大学材料科学与工程学院段理等做了磁控溅射制备银掺杂ZnO薄膜结构及光电性质研究实验，发表了文献［14］，并在文献14中得出了——的结论。制备条件对膜厚的影响文献中采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备了银掺杂ZnO薄膜，当薄膜淀积时间从30rain延长到90min时，薄膜的厚度几乎按照线性关系从约270nm增加到820nm，即薄膜的淀积速率大致稳定在9nm／min左右，为匀速生长。溅射功率与膜厚呈线性增长，及沉淀速率与溅射功率大致呈线性关系。制备条件对膜结构的影响晶体质量随溅射功率的增大而降低，随溅射气压的增大而降低。制备条件对膜光电性质的影响在固定溅射总气压的条件下，增大氧分压可以增强薄膜的紫外发光强度，增大薄膜的载流子浓度。 退火对薄膜的影响退火能显著提高薄膜晶体质量，并增强薄膜的PL发光强度和导电能力，其原因是退火能使银离子完成对锌离子的替代从而形成受主。［15］5 退火后处理对膜结构与成分的影响光敏薄膜的光电、形貌性能与退火处理密切相关，退火处理优化了薄膜表面形貌、减小了光学能隙、增大了薄膜的导电率和载流子迁移率。光敏薄膜性能的优化，有利于增大聚合物太阳电池的填充因子、开路电压和短路电流，对于提高其能量转换效率、改善器件光伏性能具有非常重要的意义。［16］分别对较低氧分压反应磁控溅射制备的 薄膜进行氧化性气氛和惰性气氛退火。通过XRD和SEM 分析，发现氧化性气氛退火薄膜为表面多孔的金红石结构 ，而惰性气氛退火薄膜表面较为致密，结构分析不仅观察到金红石结构的 ，还发现了四方结构的 。XPS表面分析进一步表明，氧化性气氛退火后，薄膜成分单一，未氧化的 完全氧化成稳定的 ，而且具有稳定结构的 薄膜表面吸附水很少。相对而言，惰性气氛退火后，薄膜表面 、 和 共存，表面化学吸附氧和吸附水较明显，薄膜的稳定性降低。［17］6 FTO导电玻璃制备相关参数根据范志新等所提出的理论表达式： 带入相关数据可得到，SnO2:F（FTO）的最佳掺杂含量为［18］通过对比总结，参考大量数据，选择溅射功率：100W，溅射压力：5Pa，溅射时间：，溅射靶距：38mm［13、19］做产品。进行相关参数的选择与优化。7 参考文献1、张志海， 热解法制备氟掺杂二氧化锡导电薄膜及其性能研究 合肥工业大学2、汪振东， 玻璃基TiO<,2>-SiO<,2>/SnO<,2>：F薄膜的喷雾热分解法制备和表征 武汉理工大学3、郝喜红， 喷雾热解法制备掺杂二氧化锡导电薄膜 西安建筑科技大学4、张明福等， 透明导电氧化物薄膜研究的新进展 压电与声光5、方俊 杨万莉， n型透明导电氧化物薄膜的研究新进展 陶瓷6、苗莉等， SnO2:F导电薄膜的制备方法和性能表征 材料导报7、Yadav A A，Masumdar E U，Moholkar A V，et a1．Effect of quantity of spraying solution on the properties of spray deposited fluorine doped tin oxide thin films[J]．Physiea B：Condensed Matter，2009，404(12—13)：1874 - 1877．8、Moholkar A V，Pawar S M，Rajpure K Y，et 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广西师范大学学报（自然科学版）
水热法生长二氧化钛纳晶及在染料敏化太阳能电池板的应用1 引言1991 年瑞士学者Gratzel 等在Nature 上发表文章,提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳晶薄膜为光阳极的太阳能电池，其具有制作简单、成本低廉、效率高和寿命长等优点,光电转换效率目前可以达到11%以上,因此成为新一代太阳能电池的主要研究发展方向[1-4]。染料敏化太阳能电池的光电转换效率的提高要归功于其独特的纳晶多孔薄膜电极，其可以使电子在薄膜中有较快的传输速度，且具有足够大的比表面积，能够吸附大量的染料，并且与染料的能级相匹配。所以因对染料敏化太阳能电池的复杂的作用，许多科学工作者致力于制备功能和性能良好的TiO2 纳晶多孔薄膜电极[5, 6]。在纳晶TiO2 的三种晶型中，锐钛矿相的光电活性最好，最实用于染料敏化太阳能电池中，所以在制备纳晶TiO2 时，金红石相和板钛矿相纳晶应该尽量避免。对TiO2 纳晶的生长，许多研究者开始在水热法中采用有机碱做胶溶剂来制备TiO2 纳晶[7-9]。Yang 用三种有机碱做胶溶剂制备了粒经和形貌不相同的TiO2 纳晶，其结果证明了有机碱的加入对纳晶粒子大小、形貌及表面积等有一定影响[10]。但是，如何制备晶型和形貌都能满足于染料敏化太阳能电池的要求却很少讨论。在本章中，采用水热法基础上，分别使用三种有机碱四甲基氢氧化铵（TMAOH）、四乙基氢氧化铵（TEAOH）、四丁基氢氧化铵（TBAOH）做胶溶剂来制TiO2 备纳晶并应用于染料敏化太阳能电池中并研究了制备条件的不同对纳晶形貌、粒径大小及电池光电性能的影响。2 实验主要药品和仪器钛酸四正丁酯、异丙醇、聚乙二醇20,000、碘、碘化锂、4-叔丁基吡啶（TBP）、OP乳化剂（Triton X-100）（AR，均购于中国医药集团上海化学试剂公司）；敏化染料（cis-[(dcbH2)2Ru(SCN)2]，SOLARONIX SA.）；四甲基氢氧化铵（TMAOH）(25 %)、四乙基氢氧化铵（TEAOH）(20 %)、四丁基氢氧化铵（TBAOH）(10 %) （均购于中国医药集团上海化学试剂公司）；可控温磁力搅拌器（C-MAG HS4，德国IKA）；马弗炉（上海实验电炉厂）；100 W 氙灯（XQ-100 W，上海电光器件有限公司）；导电玻璃基片（FTO，15 Ω/cm2，北京建筑材料研究院）；X 射线粉末衍射仪（XRD） D8-advance(Bruker 公司)；扫描电子显微镜(SEM)S-3500N（日本日立公司)；透射电镜(TEM)JEM-2010(日本)；红外光谱分析仪Nicolet Impact 410 spectrometer；紫外–可见分光光度计UV-Vis 3100 (Shimadzu corporation, Japan)。3 实验部分 纳晶TiO2 的制备根据文献的制备方法[6-11]，把钛酸四正丁酯与等体积的异丙醇混合均匀并逐滴加入到蒸馏水中并不断的搅拌30分钟（[H2O]/[Ti(OBu)4] = 150），过滤并用水和乙醇溶液洗剂2-3次。在强烈搅拌下，把所得到的沉淀加入到pH=的含有有机碱的溶液中，在100 °C搅拌24小时，得到半透明的胶体。将得到胶体装入高压釜（填充度小于80%）。在200 oC水热处理12小时。水热处理后，得乳白色混合物并伴有鱼腥味，这表明有机碱分解为了胺类化合物。将高压釜处理后的TiO2胶体连同沉淀一起倒入烧杯，经50 oC浓缩至原来的1/5，加入相当于TiO2量20%-30%的聚乙二醇20,000及几滴Triton X-100，搅拌至均匀，得稳定的TiO2纳晶浆体。 纳晶薄膜电极的制备将洗净的导电玻璃四边用透明胶带覆盖，通过控制胶带的厚度和胶体的浓度来控制膜的厚度[12]，中间留出约1×1 cm2空隙，将在酸性条件下制备的小粒径的纳晶TiO2胶体用玻片均匀的平铺在空隙中。空气中自然晾干后，在马弗炉中升温至450 ?C热处理30分钟，使TiO2固化并烧去聚乙二醇等有机物，冷却至80 ?C，经过仪器测量，薄膜的平均厚度在6微米左右。将获得的纳晶多孔薄膜浸泡于N3染料溶液中24小时，使染料充分地吸附在TiO2上，取出后用乙醇浸泡3-5分钟，洗去吸附在表面的染料，在暗处自然晾干，即得到染料敏化的纳晶多孔TiO2薄膜电极。首先按上文所述制备纳晶多孔薄膜，制备的薄膜平均厚度在微米左右，将其重新用透明胶带覆盖，把用TMAOH做胶溶剂的条件下制备的大粒径的纳晶TiO2浆体用玻片均匀的平铺在空隙中。空气中自然晾干后，重新在马弗炉中升温至450 ?C热处理30分钟，反射层的纳晶薄膜的平均厚度控制在微米左右，热处理后即得双层纳晶薄膜。浸泡染料后即得双层纳晶薄膜电极。 DSSC 的组装以染料敏化纳晶多孔TiO2薄膜电极为工作电极，以镀铂电极为对阴极[13]，将染料敏化电极与对阴极用夹子固定，在其间隙中滴入以乙腈为溶剂、以 mol/L LiI+ mol/L I2+ TBP为溶质的液态电解质，封装后即得到染料敏化太阳能电池。 光电性能测量采用100 W氙灯作为太阳光模拟器，其入射光强Pin为100 mW/cm2。在室温下进行测量，记录其短路电流ISC和开路电压VOC，并应用公式计算其填充因子ff和光电转换效率η。 表征与分析采用 D8-advance 型X 射线粉末衍射仪测定TiO2 的晶体结构，测试条件为：Cu Kα(λ= ?)，电压：40 KV，电流：40 mA。扫描速度:6?/min，扫描范围：10?-80?。采用KBr 压片法测量样品的红外光谱，测试条件：400-4000 cm-1，软件：OMNIC ，扫描次数30 次。采用JEM-2010（日本)型透射电子显微镜(TEM)观察TiO2 纳晶的表面形貌及粒径大小。用紫外-可见分光光度计（UV-3100）测试不同粒径TiO2 纳晶多孔薄膜电极吸附染料的吸光度。TG 的升温速度：10 ℃/min，范围：室温至1000 ℃，测试仪器：SDT 2960 同步DSC-TGA 装置 (USA TA 设备)。4 结果与讨论 有机碱对TiO2 纳晶的形貌和粒径的影响Sugimoto 和他的合作者们研究了影响TiO2 纳晶生长的一些因素，其中pH 的值、有机碱的烷基链的长短、水热的温度以及水热的时间等因素都对TiO2 纳晶颗粒的大小和形貌有很大的影响[14-17]。通过研究发现，四烷基有机碱作为模板来控制TiO2 纳晶的形貌和大小。所以可以使用不同的有机碱来制备适合于染料敏化太阳能电池光电传输的晶型完整并具有较大的比表面积的TiO2 纳晶。是在不同的有机碱做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的TEM 图，a 图是采用TMAOH 做胶溶剂，b 图是采用TEAOH 做胶溶剂，c 图是采用TBAOH 做胶溶剂。从图中可以看出，在相同pH 值下，不同的有机碱做胶溶剂时，制备的纳晶明显不同，这说明胶溶剂对TiO2纳晶的粒径大小和形貌有很大的影响，而且随着有机碱胶溶剂烷基链的加长，TiO2 纳晶的粒径减小，并且粒子为多面体。当用TMAOH 做胶溶剂时，制备的TiO2 纳晶的粒子多为四方体，颗粒宽12-20 nm，粒子长20-40 nm，如图1a 所示。当用TEAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的粒子颗粒不均匀，而且形貌也不规则有多面体形的也有四面体形的，粒子宽度8-10 nm，长度10-25 nm，如图1b 所示。而当有机碱的烷基链长从两个碳原子增加到四个碳原子时，即用TBAOH 用作胶溶剂时制备的纳晶颗粒粒子大小较均匀而且形貌也较规则，多为正方体，粒子大小一般在5nm 左右，如图1c 所示。在TiO2 纳晶的水热生长过程中，有机碱首先是吸附在TiO2 的晶核上，而烷基链的长短不同吸附的能力不同，吸附能力越大则就会阻碍纳晶的生长。研究发现[6]，烷基链越长则有机碱吸附在晶核上的吸附力越大，则会阻碍晶体的生长，所以随着有机碱烷基链的长度的增加，纳晶颗粒在不断的减小；并且研究发现，胶溶剂的浓度不能太大，太大时制备的TiO2 纳晶就会出现严重的团聚现象[10]。 有机碱对TiO2 纳晶晶型的影响是用三种有机碱做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的XRD 图，a 是制备的TiO2 纳晶经过自然风干后的XRD，b 是制备的三种TiO2 纳晶经过50 °C 热处理30 分钟中后的XRD 图。从图2a 中可以看出，2θ = °是TiO2 纳晶锐钛矿的特征峰，但是还有一些其它的杂峰，这些杂峰证明是有机胺类化合物的峰。当把制备的纳晶经过450 °C 热处理30 分钟中后，a 图中的杂峰就消失，TiO2 在2q ＝°，°，°，°，°和°的衍射峰的d 值均与标准PDF 卡片锐钛矿型TiO2 衍射峰相符，说明所制备的TiO2 的晶型为锐钛矿，没有金红石相和板钛矿相出现，制备的为纯的锐钛矿相TiO2 纳晶。在传统水热方法中，采用硝酸做胶溶剂，制备的纳晶TiO2 中，含有少量的金红石相和板钛矿相，而这两种的光电性能较差，影响染料敏化太阳能电池的光电转换效率。而用有机碱做胶溶剂制备的TiO2 纳晶可满足染料敏化太阳能电池中对锐钛矿相的要求。随着有机碱烷基链的增加，样品的特征衍射峰宽逐渐变大，并且衍射峰值逐渐减小，这表明制备纳晶颗粒不断减小，这与TEM 的结果一致。 TiO2 纳晶的热稳定性分析是用三种有机碱制备的TiO2 纳晶的红外光谱图，(a) 是制备的纳晶粉末在80 °C 烘干24 小时，(b)是制备的纳晶粉末在450 °C 热处理1 小时，光谱范围是400-4000 cm-1。从红外光谱图可知，三种纳晶红外图谱相近。图3(a)中出现了有机化合物的一些键如C-H, N-H,和O-H 等键，但随着在450 °C 热处理1 小时后，这些化合键就消失了，而TiO2 薄膜的红外谱图中主要有Ti-O-Ti 键伸缩振动峰在500cm-1 附近，没有出现宽的吸收带，如图3(b)所示，这一结果与文献中的结果相一致[7]。这说明在有机碱条件下制备的TiO2 纳晶在经过450 °C后为稳定的锐钛矿相，吸附在其表面的有机物分解完全。从XRD 的结果也可以得出(图 3b)，所有有机化合物在经过450 °C 热处理后都消失完全了，这说明二氧化钛化合物在高于450 °C热处理后，可以晶化为稳定的锐钛矿相TiO2 纳晶。是用有机碱做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶粉末热稳定性的TG 分析。这些纳晶粉末是在105 °C 下烘干24 小时，而没有进行任何热处理的。从图中可以看出，有两个失重过程。第一个过程是100～250 °C 之间的明显失重，可以认为是失去了吸附在纳晶粉末表面的水分子和一些醇。第二个过程是250～400 °C 之间的失重，是因为粉体中吸附的有机物成份的失去。有机物与制备的氧化物之间有很强的键和作用，这些有机物包裹着氧化物，当温度达到400 °C 时，这些键和作用才会消失，有机物完全分解，这说明有机物与纳晶颗粒之间的力结合不是太大不影响纳晶的晶化。另外发现，在不同有机碱胶溶剂下制备的纳晶粉末的失重情况明显不同，在采用TBAOH 做胶溶剂时的失重明显要高于使用TMAOH 做胶溶剂时的，这说明前者表面吸附了更多的有机物。吸附有机物的量不同，表明制备的纳晶粉末的形貌和粒径大小也明显不同[14]，这与TEM 的结果一致，在采用TBAOH 做胶溶剂时制备的TiO2纳晶颗粒较小表面积较大，这就使吸附在纳晶表面的有机物就增多，所以在进行热分解时失重较多；而采用TMAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶颗粒明显大许多，表面积又小所以吸附的有机物就会减小，所以在热分解时失重较少。从失重量的多少也可以简单分析出制备的纳晶颗粒和形貌的异同。用有机碱做胶溶剂来制备TiO2 纳晶，会对其晶型及其晶型的稳定性有一定的影响。图5 为有机碱TEAOH 做胶溶剂的条件下制备的TiO2 纳晶及其分别在300 °C，500 °C，700 °C，800 °C，900 °C 烧结1 小时样品的XRD 谱图。在TiO2 纳晶的晶型中，峰位于2θ=°是锐钛矿相的特征衍射峰，峰位于2θ=°是金红石相的特征衍射峰。从图中可知，TiO2 纳晶在800 °C 烧结前，晶型没有发生变化。在800 °C 烧结之后，才出现了金红石相晶型，这一结果与Young 等人的研究结果一致[18]。据报道在酸性条件下制备的TiO2 纳晶，在烧结温度达600 °C 时，锐钛矿晶型就开始向金红石晶型转变[19]。而用有机碱TEAOH 做胶溶剂制备的TiO2 纳晶从锐钛矿相向金红石相转变的温度有所提高，这说明用有机碱TEAOH 做胶溶剂制备的TiO2 纳晶热稳定性提高了，这一稳定性说明，可以对锐钛矿型TiO2 纳晶在较高的温度下进行烧结，而不改变其晶型，即没有金红石型纳晶出现。 BET 和吸附染料能力的研究用不同的有机碱做胶溶剂所制备的TiO2 纳晶粉的表面积进行分析，实验得出，在使用有机碱TMAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶粉的比表面积为66 m2·g-1，但是当使用TEAOH和TBAOH 做胶溶剂时，制备的TiO2 纳晶粉的比表面积为78 m2·g-1 和82 m2·g-1。这一结果与粒径越大比表面积越小相一致，颗粒大小如图1 所示，这说明颗粒越小比表面积越大。研究发现，吸附的染料（RuL2(SCN)2）的多少并不一定随着比表面积的增大而增大。为了研究用于染料敏化太阳能电池测试的TiO2 纳晶多孔薄膜吸附染料的多少，把敏化的电极在5 mL mol/L NaOH 溶液中让染料进行脱附，之后对染料的碱性溶液进行吸光度的分析，UV-vis 吸收光谱的结果如图5 所示。图中a、b 和c 三条曲线分别是采用TMAOH、TEAOH和TBAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶。根据朗伯-比尔定律可知吸光度随浓度增加而增大，结果显示，采用TMAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶吸收的染料最少，这与比表面积越小吸附的染料越少相吻合，但比其它两种纳晶的吸附量要少很多。虽然采用TBAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的比表面积比用TEAOH 做胶溶剂所制备的TiO2 纳晶的比表面积大，但是后者却比前者所吸附的染料多，这里可能的解释就是因其用TBAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的颗粒太小还不足10nm，所以用其制备的纳晶多孔薄膜太致密而使得吸附的染料减小。 染料敏化太阳能电池光电性能研究采用有机碱制备的三种不同形貌和粒径大小的TiO2 纳晶，并用其制备了敏化电极应用于染料敏化太阳能电池光电性能的研究，如图6 所示。表1 给出了三种不同电极的所组装的电池的短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率的值。在100 mW/cm2 光照条件下，三种电池的短路电流分别为、、 mA/cm2，开路电压分别为、、，填充因子分别为，光电转换效率分别达到了。从实验结果可知，采用有机碱TEAOH 制备的TiO2 纳晶所组装的电池的光电转换效率比其它两种电池的光电转换效率要高。可知，采用有机碱TEAOH 所制备的TiO2 所制备的电池的开路电压要比采用有机碱TMAOH 所制备的TiO2 所制备的电池的要低，但是其电池的短路电流和填充因子都要比其它两种有机碱所制备TiO2 所组装的电池要高。这可能是因为（1）用有机碱TEAOH 所制备的TiO2 纳晶粒经比较适中，制备的多孔薄膜粒子与粒子之间结合比较紧密，这样就提高了电子在薄膜中的传播速度；（2）较其它两种多孔薄膜吸附的染料要多，研究表明吸附的染料的量与所产生的光电流成正比，吸附的染料越多，则产生的光电流越大，用有机碱TEAOH 做胶溶剂所制备的TiO2 多孔薄膜所吸附的染料最多，所以用其所组装的染料敏化太阳能电池的短路电流最高，电池的光电转换效率也达到最好。5 结论本章采用了钛酸四正丁酯为原料，以三种有机碱做胶溶剂来制备TiO2 纳晶，以三种制备的敏化的纳晶多孔薄膜为电极组装了染料敏化太阳能电池，并对其进行了电池光电性能的测试。研究了这三种有机胶溶剂对TiO2 纳晶晶体生长的影响，采用三种不同烷基链的有机碱做胶溶剂制备的纳晶形貌和大小有很大的不同，研究发现，随着烷基链的加长，纳晶的形貌开始变得规整，粒径也减小，但是有机碱的浓度不能太大，浓度过高时，会使制备的纳晶出现团聚，所以在使用有机碱做胶溶剂时，采用的是在pH= 的条件下制备的。通过热稳定性分析发现，吸附在TiO2 纳晶表面的有机碱在450 °C 热处理后，有机物分解完全，这说明在制备纳晶多孔薄膜时，有机物分解完全，多孔薄膜中为纯的TiO2 纳晶。因为三种TiO2纳晶形貌和大小不同所以制备的多孔薄膜吸附染料的量也不相同。实验发现采用有机碱TEAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 的敏化电极吸附的染料最多，电池光电性能测试也显示用此TiO2 纳晶制备的电池开路电流达到 mA cm-2，光电转换效率达到，比其它两种电池的光电转换效率要高，这说明用有机碱TEAOH 做胶溶剂所制备的TiO2 纳晶的形貌和大小比其它两种有机碱胶溶剂制备的TiO2 更适合应用于染料敏化太阳能电池。更多毕业论文请到
X射线荧光衍射：利用初级X射线光子或其他微观离子激发待测物质中的原子，使之产生荧光(次级X射线)而进行物质成分分析和化学态研究的方法。按激发、色散和探测方法的不同，分为X射线光谱法(波长色散)和X射线能谱法(能量色散)。 当原子受到X射线光子(原级X射线)或其他微观粒子的激发使原子内层电子电离而出现空位，原子内层电子重新配位，较外层的电子跃迁到内层电子空位，并同时放射出次级X射线光子，此即X射线荧光。较外层电子跃迁到内层电子空位所释放的能量等于两电子能级的能量差，因此，X射线荧光的波长对不同元素是特征的。 根据色散方式不同，X射线荧光分析仪相应分为X射线荧光光谱仪(波长色散)和X射线荧光能谱仪(能量色散)。 X射线荧光光谱仪主要由激发、色散、探测、记录及数据处理等单元组成。激发单元的作用是产生初级X射线。它由高压发生器和X光管组成。后者功率较大，用水和油同时冷却。色散单元的作用是分出想要波长的X射线。它由样品室、狭缝、测角仪、分析晶体等部分组成。通过测角器以1∶2速度转动分析晶体和探测器，可在不同的布拉格角位置上测得不同波长的X射线而作元素的定性分析。探测器的作用是将X射线光子能量转化为电能，常用的有盖格计数管、正比计数管、闪烁计数管、半导体探测器等。记录单元由放大器、脉冲幅度分析器、显示部分组成。通过定标器的脉冲分析信号可以直接输入计算机，进行联机处理而得到被测元素的含量。 X射线荧光能谱仪没有复杂的分光系统，结构简单。X射线激发源可用X射线发生器，也可用放射性同位素。能量色散用脉冲幅度分析器 。探测器和记录等与X射线荧光光谱仪相同。 X射线荧光光谱仪和X射线荧光能谱仪各有优缺点。前者分辨率高，对轻、重元素测定的适应性广。对高低含量的元素测定灵敏度均能满足要求。后者的X射线探测的几何效率可提高2～3数量级，灵敏度高。可以对能量范围很宽的X射线同时进行能量分辨(定性分析)和定量测定。对于能量小于2万电子伏特左右的能谱的分辨率差。 X射线荧光分析法用于物质成分分析，检出限一般可达10-5～10-6克／克(g／g)，对许多元素可测到10-7～10-9g／g，用质子激发时 ，检出可达10-12g／g；强度测量的再现性好；便于进行无损分析；分析速度快；应用范围广，分析范围包括原子序数Z≥3的所有元素。除用于物质成分分析外，还可用于原子的基本性质如氧化数、离子电荷、电负性和化学键等的研究。X射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流体、粉末到完整晶体，最重要的无损分析工具但早期这类“光谱仪”十分不灵敏，不适用于测量粉末衍射。所以应用于晶体和粉末的X射线衍射技术的区别在于其灵敏度，现在的X射线衍射仪都是可以进行粉末测试的。
文献综述是对某一领域某一方面的课题、问题或研究专题搜集大量情报资料，分析综合当前该课题、问题或研究专题的最新进展、学术见解和建议，从而揭示有关问题的新动态、新趋势、新水平、新原理和新技术等等，为后续研究寻找出发点、立足点和突
约翰 W.克雷斯威尔（John W. Creswell）曾提出过一个文献综述必须具备的因素的模型。他的这个五步文献综述法倒还真的值得学习和借鉴。
克雷斯威尔认为，文献综述应由五部分组成：即序言、主题1（关于自变量的）、主题2（关于因变量的）、主题3（关于自变量和因变量两方面阐述的研究）、总结。
（1）序言告诉读者文献综述所涉及的几个部分，这一段是关于章节构成的陈述。
（2）综述主题1提出关于“自变量或多个自变量”的学术文献。在几个自变量中，只考虑几个小部分或只关注几个重要的单一变量。
（3）综述主题2融合了与“因变量或多个因变量”的学术文献，虽然有多种因变量，但是只写每一个变量的小部分或仅关注单一的、重要的因变量。
（4）综述主题3包含了自变量与因变量的关系的学术文献。这是我们研究方案中最棘手的部分。
这部分应该相当短小，并且包括了与计划研究的主题最为接近的研究。或许没有关于研究主题的文献，那就要尽可能找到与主题相近的部分，或者综述在更广泛的层面上提及的与主题相关的研究。
（5）总结强调最重要的研究，抓住综述中重要的主题，指出为什么我们要对这个主题做更多的研究。
一、文献综述的含义
文献阅读报告，即“文献综述”,英文称之为“survey”、“overview”、“review”.是在对某研究领域的文献进行广泛阅读和理解的基础上，对该领域研究成果的综合和思考。一般认为，学术论文没有综述是不可思议的。需要将“文献综述（ Literature Review）”与“背景描述（Backupground Description）”区分开来。
我们在选择研究问题的时候，需要了解该问题产生的背景和来龙去脉，如“中国半导体产业的发展历程”、“国外政府发展半导体产业的政策和问题”等等，这些内容属于“背景描述”,关注的是现实层面的问题，严格讲不是“文献综述”,关注的是现实层面问题，严格讲不是“文献综述”.
“文献综述”是对学术观点和理论方法的整理。
其次，文献综述是评论性的（ Review 就是“评论”的意思），因此要带着作者本人批判的眼光（critical thinking）来归纳和评论文献，而不仅仅是相关领域学术研究的“堆砌”.
评论的主线，要按照问题展开，也就是说，别的学者是如何看待和解决你提出的问题的，他们的方法和理论是否有什么缺陷？要是别的学者已经很完美地解决了你提出的问题，那就没有重复研究的必要了。
二、意义和目的
总结和综合该方向前人已经做了的工作，了解当前的研究水平，分析存在问题，指出可能的研究问题和发展方向等，并且列出了该方向众多的参考文献，这对后人是一笔相当大的财富，可以指导开题报告和论文的写作。
三、主要内容
（1）该领域的研究意义。
（2）该领域的研究背景和发展脉络。
（3）目前的研究水平、存在问题及可能的原因。
（4）进一步的研究课题、发展方向概况。
（5）自己的见解和感想。
四、分类
综述分成两类。
一类是较为宏观的，涉及的范围为整个领域、专业或某一大的研究方向。
一类是较为微观的，这类综述可以涉及到相当小的研究方向甚至某个算法，谈的问题更为具体与深入。前者立意高，范围广，面宽，故也不易深入，比较好读好懂。这对初入道者、欲对全局有所了解的读者而言很有参考价值。
然而，欲深入课题的研究，则希望能有后一类的综述为自己鸣锣开道，这会节约很多的时间与精力，但往往不能遂人意，于是只好旁征博引，由自己来完成该课题的综述。当写学位论文时，我们要写的也就是这类结合自己研究课题而写就的综述。
五、难点
一篇好的文献综述既高屋建瓴，又脚踏实地；既探?索隐，又如醍醐灌顶。文献综述顾名思义由“综”和“述”组成。前半部分的“综”不算太难，根据所查阅大量的文献进行综合的归类、提炼、概括即可做到的话。
后半部分的评“述”与分析则是一篇“综述”质量高下的分界线，这需要融入作者自己理论水平、专业基础、分析问题、解决问题的能力，在对问题进行合情合理的剖析基础上，提出自己独特的见解。
六、如何收集资料
虽说，尽可能广泛地收集资料是负责任的研究态度，但如果缺乏标准，就极易将人引入文献的泥沼。
技巧一：
瞄准主流。主流文献，如该领域的核心期刊、经典着作、专职部门的研究报告、重要化合物的观点和论述等，是做文献综述的“必修课”.而多数大众媒体上的相关报道或言论，虽然多少有点价值，但时间精力所限，可以从简。怎样摸清该领域的主流呢？
建议从以下几条途径入手：
一是图书馆的中外学术期刊，找到一两篇“经典”的文章后“顺藤摸瓜”,留意它们的参考文献。质量较高的学术文章，通常是不会忽略该领域的主流、经典文献的。
二是利用学校图书馆的“中国期刊网”、“外文期刊数据库检索”和外文过刊阅览室，能够查到一些较为早期的经典文献。
三是国家图书馆，有些上世纪七八十年代甚至更早出版的社科图书，学校图书馆往往没有收藏，但是国图却是一本不少（国内出版的所有图书都要送缴国家图书馆），不仅如此，国图还收藏了很多研究中国政治和政府的外文书籍，从互联网上可以轻松查询到。
技巧二：
随时整理，如对文献进行分类，记录文献信息和藏书地点。做博士论文的时间很长，有的文献看过了当时不一定有用，事后想起来却找不着了，所以有时记录是很有必要的。罗仆人就积累有一份研究中国政策过程的书单，还特别记录了图书分类号码和藏书地点。
同时，对于特别重要的文献，不妨做一个读书笔记，摘录其中的重要观点和论述。这样一步一个脚印，到真正开始写论文时就积累了大量“干货”,可以随时享用。
技巧三：
要按照问题来组织文献综述。看过一些文献以后，我们有很强烈的愿望要把自己看到的东西都陈述出来，像“竹筒倒豆子”一样，洋洋洒洒，蔚为壮观。仿佛一定要向读者证明自己劳苦功高。
我写过十多万字的文献综述，后来发觉真正有意义的不过数千字。
文献综述就像是在文献的丛林中开辟道路，这条道路本来就是要指向我们所要解决的问题，当然是直线距离最短、最省事，但是一路上风景颇多，迷恋风景的人便往往绕行于迤逦的丛林中，反面“乱花渐欲迷人眼”,“曲径通幽”不知所终了。
因此，在做文献综述时，头脑时刻要清醒：我要解决什么问题，人家是怎么解决问题的，说的有没有道理，就行了。
综述是你查阅相关文献的成果。
任何研究都要建立在前人的基础上，并且遵守学术传统，而不是空穴来风。
你需要告诉读者，关于这个问题前人研究到了何种地步，有什么缺陷，应该在哪些方面进行拓展。这一方面是对前人研究的尊重，另一方面也表明了你的文章价值何在。
任何与本文相关的重要成果都应当在综述中得到体现，并且在参考文献中列出。综述不是概述，不能泛泛地引用和概括，要有扬弃，特别是有批评。
否则，如果别人都做好了，要你写文章干嘛。
综述比较容易看出作者对该领域所下的工夫，因为作者需要广泛阅读，理解不同论文在关键假设和模型上的主要分歧。好的综述本身就是一篇独立的文章。
在实际生活当中，有很多有趣而奇 妙的光现象。大到吸引全球注意力的日 食、月食，小到肥皂泡上的彩色图案， 只要你留心，随时都能发现自己身边的 光现象。不过，你有没有思考过它们的 原因呢？其实，这些光现象很多都可以 用我们学过的波的知识来解释，现在就 让我们去看一看自己身边奇妙的光现象 吧物理论文——形形色色的光现象 广义范围内的光指全部电磁波。迄今为止，所知的 最长波长为107米左右，最短波长为10-15米左右。 可见光指能引起人视觉的电磁波，其波长约在 ×10-7～×10-7米，它包括从红光到紫光的各 种单色光 。 下面我们将针对可见光谈以下几个问题： 1 光的传播 2 光的反射 3 光的折射 4 光的衍射 5 光的干涉 6 光的散射 7 极光物理论文——形形色色的光现象 一、光的传播 在均匀介质中光沿直线传播。 这条性质我们是司空见惯了。也正 是光的这条性质，使人们费了很大劲才 弄清光的波动性质。究竟有什么现象是 光的直线传播造成的呢？就让我们看一 下吧。物理论文——形形色色的光现象 日食、月食是一重要的 天文现象，是光在同一种均 匀介质中沿直线传播的例 证。物理论文——形形色色的光现象 日全食、日偏食和 日环食 月球的影可以分为本影、半影和伪半 影三部分。月球绕地球的轨道和地球 绕太阳的轨道都不是正圆，所以日、 月同地球之间的距离时近时远。因 此，在日食时，观察者在本影范围看 到太阳全部被月球遮住，称为日全 食；观察者在半影内则见到太阳部分 被月球遮住，称为日偏食；观察者在 伪本影内见到太阳的中间部分被月球 遮住，周边剩下一个光环，称为日环 食。当月球绕地球运行到太阳与地球 之间几乎与太阳同起同落时，从地球 上见不到月球，这时称为朔，日食现 象发生在朔的时候。朔的周期约为 天。但不是每隔天都发生一次日 食，原因是月球绕地球运行的轨道平 面和地球绕太阳运行的轨道平面不完 全重合，两者之间有5°9’的平均夹 角。所以只有当朔时太阳离两个轨道 平面的交点在某一角度以内时才会发 生日食。物理论文——形形色色的光现象 月全食、月偏食与半影月食 月食是月球进入地球阴影，月面变暗的现象。地球在背着太阳的方向 有一条阴影，叫地影。地影分为本影和半影两部分。本影没有受到太 阳直接射来的光，半影受到一部分太阳射来的光。月球在绕地球运行 过程中进入地影后就发生月食。月球整个都进入本影发生月全食；部 分进入本影发生月偏食。月全食和月偏食叫本影月食。有时月球只进 入半影而不进入本影，发生半影月食。 当地球处在太阳与月球之间时，月球朝向地球的一面照满太阳光，从 地球上看月球，月球呈光亮的圆形，这叫望。望的周期与朔相同，月 食只能发生在望的时候。但由于地球与月球运行轨道不在同一平面， 而有一个5°9′的夹角，不是所有望的时候都发生月食。只有当月球 运行到两个轨道平面的交点附近时，月食才可能发生。物理论文——形形色色的光现象 由于地球的本影比 月球大得多，在月 全食时，月球会会 完全进入地球的本 影区内，因此，绝 不会出现月环食这 种现象。 发生月食时， 地面上的观测面积 很大，可覆盖半个 地球，只要是天气 晴朗的夜空就能看 得到。物理论文——形形色色的光现象 本影区是光线完全射不到的地方。点光源生成的影区 周围可以出现亮边，这是由于光的波动性，光遇到障 碍物后，发生衍射的结果。发光体越大，本影区越 小。如白炽灯下的人影很清楚，荧光灯下的人影十分 模糊，就是两者比较而言，白炽灯可看成是点光源， 发光面小；荧光灯的发光面就比白炽灯大得多。医院 里外科手术用的无影灯，就是在一个很大的圆形灯罩 里交错排列或呈环形排列几个到10多个灯球，每个灯 球里有一个镜面灯泡，灯炮下半部的内壁上涂有一层 铝，把光线均匀柔和地反射到整个灯球上。这样，各 个灯球都能把光线照射到手术台上，既保证有足够的 亮度，同时又不留任何影子。物理论文——形形色色的光现象 星光闪烁 夜晚，天上的星星，特别是地平线附近的星星，常以震动的形 式急速变化。时明时暗，上下跳动，左右摇晃。而且有时颜色也 有变化，这就使所谓的星光闪烁，或者说是星星“眨眼”。这是由 于大气处于经常不断地运动中，空气密度也相应地不断变化。又 因为不同光波的折射率是不同的，所以看起来，位置和颜色都不 断地变化。 来自地平线附近的星光，由于穿过的大气层厚，又由于底层大 气变化大，所以闪烁显著。地面的发光物也会有同样的闪烁现 象。 星光闪烁往往反映出大气的不稳定，是天起变化的征兆，所以 有“天上星星跳，风雨就来到”的谚语。 同样的原因，在炎热的夏季，地面上的目标物，由于强烈的增 热，空气密度变化大，大气层不稳定，折射率不断变化，远处看 起来一些树木、房屋等会产生晃动，气象学上称为闪晃。这中闪 晃也和星星闪烁一样，是天起变化的征兆，因为这是大气层不稳 定的表现。物理论文——形形色色的光现象 假设地球表面不存在大气层，那么 人们观察到的日出时刻与实际存在的大 气层的情况相比将延后 。这是由于太阳 光在不均匀的大气层中传播发生弯曲的 原因。海市蜃楼也是介质不均匀造成的 众人皆知的现象。这些现象等说到折射 时再详细说明。物理论文——形形色色的光现象 二、光的反射 我们能够看到的物体有的是光源（自己能发出光 线），有的则是因为它们能反射光。光的反射分为镜 面反射和漫反射，而以漫反射最为常见。光线经光滑 面发生的反射现象。镜反射遵循反射定律，反射光线 是有规律的。平面镜、球面镜及各种曲面的反射都是 镜反射。镜反射能生成各种像，并在适当位置和范围 内能观察到。在现实中，大量的反射都不是在光滑面 上进行的，反射面是粗糙的。在粗糙的表面进行的无 规则反射叫漫反射。漫反射的光线能到各个方向，但 就其中的每条光线而言，都遵循反射规律。一般物 体，我们之所以能从各个方向看到它，就是漫反射的 结果。漫反射在实际中有广泛的应用。物理论文——形形色色的光现象 我们常见的平面镜的反射就是镜面 反射。平行光经镜面反射仍平行。很多 时候我们都利用镜面反射，但有时镜面 反射却是我们要避免的。比如教学用的 黑板，如果太光滑就会造成很多同学看 不清字。这是因为反射光大部分光沿与 镜面反射的路径传播。这时只要把黑板 弄粗糙一些即可。物理论文——形形色色的光现象 当光射到两种媒质界面，只产生反射而不产生 折射的现象叫全反射。当光由光密媒质射向光 疏媒质时，折射角将大于入射角。当入射角增 大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在 光疏媒质中将不出现折射光线，只要入射角大 于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是 全反射。所以，产生全反射的条件是：①光必 须由光密媒质射向光疏媒质。②入射角必须大 于临界角。由于镜面反射常常造成光的能量损 失，常常用全反射透镜代替平面镜。潜望镜就 是这样做的。全反射的应用很广，如改变光的 传播方向、测量折射率和传导光束等。物理论文——形形色色的光现象 三、光的折射 光的折射满足折射定律。其内容如下：①折射线、法线、入射线在同 一平面内。②折射线、入射线在法线的两侧。③折射角的正弦与入射 角的正弦的比值是一常数。 光由光速大的媒质进入光速小的媒质，光线将向法线偏折，即光线配 法线的夹角变小。 在水底有一束光源，光束达到水面然后折射到空气中，当然，也有一 部分光线产生反射。当入射角加大时 ，更多的光线产生反射。当入 射角大于或等于临界角时，发生全反射。临界角是由两个介质的折射 率来决定的： n 是两个介质的折射率。 nair water sinθ nair / nwater crit物理论文——形形色色的光现象 在地球上观察日出时，太阳发出的光线进入大 气层经过无数次折射才映入观察者的眼帘，观察者 认为光是直线传播的，所见太阳好像在如图1-40所示 的S′处的“太阳”乃是阳光经过大气层折射后形成的 虚像。实际上这时的太阳S还在地平线以下。物理论文——形形色色的光现象 透过燃烧得很旺的炉火 上方空气看炉火另一侧竖立 木棍，发现木棍不规则地左 右晃动变得弯曲了，如图所 示，这是由于人眼所见木棍 的虚像密度分布变化的气流 飘移。物理论文——形形色色的光现象 雨后初晴的早晨或傍 晚，或者远处还落着小雨， 另一边又在出太阳，常观察 到天空出现彩虹，这是由于 光的折射产生的色散现象， 如图所示，太阳光进入水滴 后，因各色光的折射率不同 而产生色散。实际上是一部 分光线反射，一部分光线折 射进入水滴，在水滴里面发 生内部反射（全反射）然后 再从水滴折射而出，人眼可 见各色光。物理论文——形形色色的光现象 眼睛 视觉器官。眼睛和照相机相似，一部分是光学成像系统，能够保证在视网膜上形 成外界物体清晰的像；另一部分是与照相底片相似的感光层，即视网膜上的感光 细胞及其外段的光敏色素。 眼球近似于球体，内部的角膜、水样液、晶状体及玻璃体构成屈光系统，起到一 个双凸透镜的作用。眼睛比照相机机构要复杂得多。除了有一套自动调节控制机 制外还能把光携带的信息变成神经电信号并经过初步加工处理传到大脑。 眼睛有一套自动调节控制机制，即能使远处的物体成像在视网膜上，也能使近处 的物体成像在视网膜上。其原因是晶状体本身是有弹性的，可以靠周围肌肉的运 动改变它的表面的弯曲程度，从而改变其焦距。因此眼睛是一种精巧的变焦距系 统。眼睛要看清一个物体，除了像要成在视网膜上以外，还需要成在视网膜上的 像足够的明亮，这主要靠瞳孔的调节，瞳孔的大小是可以改变的，改变它就可以 控制进入眼球的光线的多少，它的作用像照相机的光圈。另外眼睛要看清楚一个 物体还要满足第三个条件，就是物体的两端对眼睛光心所张的视角要大于1分。当 物体对眼睛所张的视角小于1分的时候，在视网膜上所成的像就会落在同一个感光 细胞上，整个物体看上去就会缩成了一点无从分辨。 物体上射出的光一部分进入眼睛在视网膜上成一实像，我们就看清了物体。眼睛 不仅能看清物体，而且还能看清物体通过光学系统所成的虚像，虚像是反射光线 或折射光线的反向延长线形成的，但这些反射光线或折射光线进入眼睛后能在视 网膜上成一实像。 人们眼球的焦距只有厘米左右，所以观察的物体一般总在眼睛的两倍焦距以 外，它在视网膜上所成的像是缩小倒立的实像，由于长时间的感受已养成习惯， 脑神经能清楚地识别各种物体，不至有上下倒置、左右易位的感觉。物理论文——形形色色的光现象 近视眼 一种远点为有限距离的非正常眼，这种眼睛的折光本 领比正常的眼睛大些，或者角膜到视网膜的距离比正 常的眼睛长些。晶状体在曲率最小的时候，也不能把 平行光束会聚在视网膜上（而是聚在视网膜前），这 种眼睛远点不是无限远，只适于看较近的物体，近点 也比10厘米小，要使这种眼睛能够看清楚无限远的物 体，必须把物体在视网膜前所成的像，移到视网膜 上。矫正近视眼的方法是配带一副用凹透镜做的眼 镜，利用这种透镜对于光束的发散作用可以使得物体 所成的像远一点，刚好成在视网膜上。青少年多患近 视眼，因此应该注意眼睛的保健。
物理还要写论文，天呐！
关于中学物理研究性学习的思考物理是一门以实验为基础的学科．研究性课程的开设为中学物理教学提供了更为广阔的天地，当然也对中学物理的教学方法和教学模式提出了新的要求．下面是笔者对中学物理如何进行研究性学习教学的几点粗浅思考． �一、指导学生自主学习，激发学生学习物理的兴趣 �要让中学生能自主地进行物理的研究性学习，首先要让他们喜欢物理，了解物理的研究方法．教师可以通过指导学生翻阅科普书籍和有关物理杂志，作好阅读笔记，直至在互联网上查找有关物理资料等形式，让学生理解物理知识的含义，了解物理发展的历史，以及物理学在促进人类社会发展过程中所表现出的魅力，以激发他们对物理的兴趣，同时也有利于培养他们自主学习的能力． �1．指导学生了解物理的发展历史，提高其科学思维水平 �物理发展的历史进程阐明了物理学科体系形成过程的各个方面的情况，如物理学家奇特而伟大的构思和重大发现，他们的成功与失败，学术争论，以及为科学献身的品质等．同时重大科学的发现总是与物理学家的创新活动分不开的．因此让学生自主地了解物理发展的历史，有利于培养他们的创新精神，提高他们科学思维水平． �2．认识物理的魅力，激发学生学习物理的兴趣 �物理学是前人在认识与探索自然的过程中，通过总结、归纳、抽象、验证等思维环节而逐步建立、不断完善起来的一门自然基础科学．物理学研究所形成的基本观点，如时空观、物质观、自然观等对整个人类文化都产生了深刻的影响力，是各行各业科技人员所必须具备的基本观点．物理学在研究问题的过程中所形成的科学方法，大都成为科学研究的基本方法，也成为培养和提高人才素质的最有效方法．让学生通过研究性学习，仿效科学研究思路，认识物理学发展的特点和基本性质，可以进一步提高物理教学的思想性、人文性和方法论等内涵． �物理学还是一门实用的、与生产生活紧密联系的、能够使人类生活更美好的学科．比如，物理与能源开发，能源与环境保护，高性能物理材料的应用等，都给人类生活带来了巨大的改变．如果学生能够在教师的指导下，有意识地通过自己查阅科普杂志、物理杂志和利用互联网上信息等资料认识物理的作用、地位及其与人类生活的关系．那么对激发学生学习物理的兴趣，无疑具有积极的意义． �中学生正处于体力和智力迅速成长的时期，他们精力充沛，聪敏而好学，易于接受新鲜事物．好奇、好学、好动，对一切未知的事物都感到新奇，总想弄个水落石出，研究性课程一般都具有形象、具体、新奇的特点，教学中如能充分地利用这些资源，就能同这一时期学生的心理产生共鸣，从而最大限度地引发他们学习物理的兴趣和热情． �二、指导学生有效地开展研究性学习 �高中物理研究性学习活动的开展，要有分类递进的教学思想．既要考虑学生的兴趣爱好，学科基础和学校的研究条件，又要考虑学生的发展问题．选择课题的难度要由浅入深，否则就会影响他们的兴趣，挫伤积极性． �1．研究性学习要选好课题 �选好课题是活动成功开展的关键．学生开始接触研究性学习时，可以由老师按学生的知识水平选择合适的课题．随着活动的不断开展，学生的研究性学习达到一定层次时，应鼓励他们自主选择课题，因为选题的过程就是一个研究问题、思考问题的过程，物理研究性学习的选题可以从以下三个方面来考虑： �（1）学科知识型选题．收集教学中可以深化、拓展、探讨的知识点，可改进的演示实验、学生实验等．这种选题方式要求教师和学生在平时教学和学习过程中要善于创新，善于思考，善于发现问题，同时要善于作好读书笔记．例如，学习形变与弹力一节内容时，不妨提出这样的课题，对于坚硬物体的形变，如何才能比较清晰、明显地显示出来?可以鼓励学生利用多种器材、各种方法进行设计和探索；学习欧姆定律时，可以鼓励学生独立地去研究各种灯泡灯丝的伏安特性；学习串、并联电路及闭合电路的特点时，可以引导学生去进行电表的改装，自制欧姆表等；学习了自感现象之后，可以去进一步研究影响自感系数大小的相关因素；学习光的折射、全反射之后，可以去测定各种液体的折射率等．实际上，只要对相关的教学内容进行挖掘，就能提出一些较有价值的研究课题．（2）热点型课题．“温室效应”是社会关注的热点问题之一．对于该问题的研究有两种学术观点：一种观点认为气温上升的原因主要是人类活动造成的；另一种观点则认为源于地球本身的周期性变化的结果．对该问题的研究，可以引导学生查阅各种相关资料，并进行一定的调查，引导学生讨论大气中的二氧化碳的主要来源，各种波长的电磁波对二氧化碳的穿透性，太阳辐射使大气升温的物理模型以及气温长周期性变化对环境的影响等问题，最后根据已有的材料和自己的分析写出一篇小论文．这样不但增长了知识，扩大了眼界，而且对于探索、研究物理问题的意识和能力都有一定的促进作用． �（3）社会生活型选题．从某些具体的科学技术对社会的影响或者从日常生活中选取与物理有关的课题进行研究，也是物理研究性学习的可选素材．比如，刹车防抱死系统（ABS）是近年来的一项新技术，它在汽车刹车时自动控制摩擦片与轮盘的压力，使车轮不与地面产生滑动摩擦，这样司机仍然能够控制车的运行方向．在这种情况下，大部分机械能消耗在摩擦片和轮盘的摩擦上．这项技术虽然较新，但它的物理模型并不复杂，利用高中物理知识可以做较为深入的研究． �总之，只要能在平时学习的过程中，多关心、多留意社会生活和周围环境等的变化，那么可供选择的研究性课题是取之不尽的． �2．研究性学习要体现开放性 �研究性学习强调以学生的自主性、探究性学习为基础，学生按自己的兴趣选择和确定研究的内容多来自学生的学习、生活和身边的现象，研究内容的实施主要的依赖教材和校园内外的资源．教师在整个研究过程中只能扮演参与者、指导者的角色，而不能干预太多，要充分体现学生的主体性、自主性．学生研究性学习的途径、方法要多样化，研究性的内容和形式要突破原有的学科教学的封闭状态，在开放、主动、多元、合作的学习环境中进行研究性学习，这有利于培养学生主动思考问题，探究、发现问题，解决问题和交往合作的能力．在物理研究性学习过程中可向学生开放实验室，让他们自主设计、操作、完成实验；开放图书阅览室，让学生自己查阅资料，培养学生走向社会选取研究素材的能力． �3．研究性学习要注重研究性学习过程 �研究性学习的主要活动程序如下方框图所示： �研究性学习与传统的学科教学中只重视学生学习结果可量化、可操作性的预期不同，研究性学习应该将学习过程看得比结果更重要．学生在选定课题后，首先要引导他们对课题进行认真分析，找出存在的问题，建立问题的概念框架，提出预期目标．其次是让学生查阅资料，开展小组探索讨论，设计研究方案，进而对方案的可行性进行论证，通过反复修改论证，确定比较可行的研究方案．再次根据研究方案进行探索研究．教师要引导学生仔细观察实验过程的每一个环节，作好实验记录，进行思考分析，解决遇到的问题和挫折，进而得出研究结果．然后对研究的过程和研究成果进行检验、评价，最后进行总结交流．这样即使成果是稚嫩可笑的，不足称道的，但学生通过一系列研究过程的亲身经历，可了解科学研究的一般流程和方法，锻炼与他人进行交往合作的能力，知道除教材以外还有很多获得知识和信息的渠道．有利于学生养成科学精神和科学态度，有利于培养他们的创新素质和创新能力．因此，注重研究学习过程是开设研究性学习的主要目的．
资料来源:Allard Mosk/Matthias Kühmayer
为什么糖不是透明的?因为穿过一块糖的光是以一种高度复杂的方式散射、改变和偏转的。然而，维也纳TU Wien(维也纳)和荷兰乌得勒支大学的一个研究小组现在已经能够证明，有一类非常特殊的光波并不适用这种方法:对于任何特定的无序介质，比如你刚刚放入咖啡中的方糖，可以构造出定制的光束，它们实际上不会被这种介质改变，而只是衰减了。光束穿过介质，一个光图案到达另一边，它具有相同的形状，就好像介质根本不存在。
这种“光的散射不变模式”的概念也可以用来专门检查物体的内部。研究结果已经发表在《自然光子学》杂志上。
数不清的可能波形
湍流水面上的波可以有无数种不同的形状——同样，光波也可以以无数种不同的形式产生。屠Wien理论物理研究所的Stefan Rotter教授解释说:“当你将光波通过一个无序介质时，每一个光波的模式都会以一种非常特定的方式发生改变和偏转。”
Stefan Rotter和他的团队正在开发数学方法来描述这种光散射效应。乌得勒支大学阿拉德·莫斯克(Allard Mosk)教授的团队为制造和表征这种复杂光场提供了专业知识。“作为光散射介质，我们使用了一层氧化锌——一种完全随机排列的纳米粒子组成的不透明的白色粉末，”实验研究小组的负责人阿拉德·莫斯克解释说。
首先，您必须精确地描述这一层。你用非常特殊的光信号照射氧化锌粉末，然后测量它们是如何到达后面的探测器的。由此，你就可以得出任何其他的波是如何被这种介质改变的——特别是，你可以计算出氧化锌层改变了哪种波的模式，就好像在这一层完全没有波散射一样。
“我们能够显示,有一个非常特殊的一类光掠所谓scattering-invariant模式,产生完全相同的波型探测器,无论光波只有通过空气发送还是必须穿透复杂氧化锌层,”斯蒂芬无赖说。“在实验中，我们看到氧化锌实际上根本没有改变这些光波的形状——只是整体上变弱了一点，”阿拉德·莫斯克解释说。
进行比较:无散射的光束。资料来源:Allard Mosk/Matthias Kühmayer
光探测器处的一个恒星 星座
尽管这些散射不变的光模可能是特殊和罕见的，但在理论上可能的光波的数目是无限的，人们仍然可以找到许多这样的光模。如果你以正确的方式组合这些散射不变的光模式，你会再次得到一个散射不变的波形。
“通过这种方式，至少在一定的范围内，你可以很自由地选择你想要通过物体发送的图像而不受干扰，”博士研究生Jeroen Bosch说。“在实验中，我们选择了一个 星座 作为例子:北斗七星。事实上，可以确定一个散射不变波将北斗七星的图像发送到探测器，而不管光波是否被氧化锌层散射。对探测器来说，两种情况下的光束看起来几乎是一样的。”
单元内部的情况
这种寻找穿透基本未受干扰物体的光模式的方法也可以用于成像程序。“在医院里，x光被用来观察人体内部——它们的波长更短，因此可以穿透我们的皮肤。但光波穿透物体的方式不仅取决于波长，还取决于波形，”Matthias Kühmayer说，他是一名从事计算机模拟波传播的博士生。“如果你想把光线集中在物体的某些特定点上，那么我们的方法就打开了全新的可能性。我们能够证明，使用我们的方法，氧化锌层内部的光分布也可以被具体控制。”这在生物实验中可能会很有趣，例如，你想在非常特定的点上引入光来观察细胞内部深处。
荷兰和奥地利科学家联合发表的论文已经表明，理论与实验之间的国际合作对于在这一研究领域取得进展是多么重要。
更多信 息: Pritam Pai et al. Scattering invariant modes of light in complex media, Nature Photonics (2021). DOI:
期刊信息: Nature Photonics
建筑设计中灯光运用人类的生活天天与光相伴，建筑和城市与光息息相关。光显示出的巨大艺术感染力，激发了建筑师、室内设计师、城市规划师对夜景照明创作的冲动。光是人居环境的要素，为人类居住的建筑和城市创造光明、舒适、绚丽。创造优美的光环境是建筑师、设计师义不容辞的责任。 光使建筑的实存成为可能。随着时间的变化，季节的更替，光的强弱发生了变化，建筑的形象也随之改变。人们就是在这样不断变化的形和影中感受光带给我们的奇妙世界。正如日本着名建筑大师安藤忠雄所说：“建筑设计就是要截取无所不在的光，并在特定场合去表现光的存在。建筑将光凝缩成最简约的存在，建筑空间的创造即是对光之力量的纯化和浓缩。” 大面积的明暗对比和光影变化，反映着光与建筑的完美交融。 记得老师在上课的时候讲过SOHO概念的例子，撇开功能不讲，自然光在其设计中就占有极其重要的地位，甚至以光为装饰。阳光感在小区环境景观中的体现则更为直接。环境作为小区的重要组成部分越来越受到人们的关注。人们对自然、阳光的渴望都直接反映在对环境景观的要求上。小区中的环境景观有别于自然环境，它是一种人造环境，是一种抽象化的自然，阳光作为自然要素之一，在这样特定的场所中，与人、建筑发生着关系，通过小区内小环境，让人感受到它的存在。由建筑围合的环境景观充当了阳光、雨水和风等自然要素的代言人，并成为居民生活体验的一部分。这里绝不是一个普通的可观赏树木的庭院，而是会有一种触动更深层情感的场所。在这样一个人与自然相结合的环境中，人在精神上达到了至高的享受。通过树种、树形的精心挑选和搭配，绿化、水景的合理布局，铺地、设施的巧妙安排等等，都可以在环境景观中体现到“阳光感”无处不在。另外在这个人造自然中，尽量创造出让人能感受阳光，聆听风声、雨声的场所，满足现代人生理、心理乃至精神上的渴望，使人们从日常生活的疲倦中解放出来。正如有些小区中设计的“阳光会所”、“阳光曲廊”等诸如此类的小品景观，让人充分与阳光、自然相交流，达到生理、心理和精神上的和谐统一。 光是建筑艺术的灵魂 光塑造形象：物的形象只有在光的作用下才能被视觉感知。正确地设光（指光量，光的性质和方向）能加强建筑造型的三维立体感，提升艺术效果，反之则导致形象平淡或歪曲。 光建构空间，明和暗的差异自然地形成室内外不同空间划分的心理暗示。光的微妙的强弱变化造就空间的层次感。 光渲染气氛：晴空万里，细雨连绵，不同的环境带给我们不同的心情，这当中光的变化起着重要作用。光渲染的气氛对人的心理状态和光环境的艺术感染力有决定性的影响。 光突出重点：没有重点就没有艺术而落人平庸。强化光的明暗对比能把表现的艺术形象或细节实现出来，形成抢眼的视觉中心。极高的对比还能产生戏剧性的艺术效果，令人激动。 光演现色彩：显色性好的人工光源可以象天然光一样真实地演现环境，人和物的缤纷色彩；显色性差的灯则造成颜色变异，丧失环境色彩的勉力。彩色灯光赋于光环境情感意识，使一些颜色响亮，但也会使一些颜色受到扭曲。 光装饰环境：光和影编织的图案，光洁材料反射光和折射光所产生的晶莹光辉，光有节奏的动态变化，灯具的优美造型都是装饰环境的宝贵元素，引人入胜的艺术焦点。 在以自然光源进行照明设计的时候，有一个办法可以采用，就是你要把整座建筑当作灯具，那么光源就在建筑物的外边，就是日光与天空的散光，接下来就可以考虑建筑物的开口部位，即门窗和天窗。 事实上建筑物的所有表面都在改变着光线，并将光线反射进窗户，照到物体上。自然光有两个组成部分，一个是日光， 另一个就是天空的散光。日光就是由太阳直接照射出来的光束；天空的散光就是空气中的微粒对阳光的散射。 设计人员必须清楚地意识到自然光直射与散射所产生的不同效果， 天空光的散射效果是光设计的背景，是基础，这一点是很多设计人员没有意识到的。 研究光与建筑的关系：其中包括 1、 光本身的性质（直射光、漫反射光、光的色彩，人工光、自然光）； 2、 光的形状与建筑物的洞口；洞口在墙面上的高低位置对室内光照的影响； 3、 光射入建筑后的光域范围； 4、 透光材料（全透、半透，材料的色彩对光色的影响）； 5、 室内不同形式、不同位置的承影面（墙面、地面、屋面）对室内光空间的影响； 6、 光在室内的明暗变化，小面积亮光与大面积光域对室内气氛营造的差别，可以用对比以营造空间变化。 通过研究以上6点光与建筑环境的关系，运用光与建筑的一些基本特性，最终去分析、思考我们要如何创造建筑内特定的光气氛。 建筑光环境设计在建筑节能方面同样大有可为。天然光是取之不尽，用之不竭的能源，要有效利用它。如果自然光能进入到某一空间， 那电光源就只能算是一个补充光源，进行定点照明，平衡一些亮度而已。 首先自然采光方面，应仔细考虑窗的面积及方位，并可设置反射阳光板；建筑内装修可采用浅色调，增加二次反射光线，通过这些手段保证获得足够的室内光线，并达到一定的均匀度，由此减少白天的人工照明，节省照明能耗。采光窗作为建筑构成一个元素，在艺术上应和建筑风格协调一致，在视觉上要求舒适，无眩光，功能上要考虑光、热与隔声的问题。建筑师根据不同建筑要求设计采光窗。目前除常见的侧窗和天窗外，天穹式采光窗、带反射挡光板的采光窗、阳光凹井采光窗、带跟踪阳光的镜面格栅窗和全反射采光窗使用也不少，呈现出采光窗多样化的发展趋势。 以往的建筑采光设计都是假定天空是阴天，不考虑直射阳光。这样的采光设计计算简单，对阳光多变带来的采光不稳定，过热、眩光等问题都回避掉了。随着技术的发展，特别是节能的影响，国际照明委员会编写了《国际采光指南》，为设计提供了设计依据和标准。利用晴天采光计算方法设计采光，约可减小15%的开窗面积，具有重要的节能和经济意义。另外直射阳光进入室内，不仅可给人们提供时间信息，多变的阳光和室内植物装饰，可增加室内视环境的情趣，赋于人有大自然的感受，可产生一种独特的艺术效果。 “自然光总是在不停地变化着，可以使建筑富于各种特征，在空间和光影的相互作用下，我们可以创造出戏剧性”……英国建筑师诺尔曼。福斯特这句话极好地表达出 “光”在设计师心目中的地位。 确实如此，我们稍做回想，就能历数出众多将“光”视为设计中不可或缺的重要元素的设计大师们：柯布西埃，路易。康，迈耶，贝律铭，安藤忠雄……，迈耶以光为笔，勾勒出浓淡相宜的“精致水墨”，贝律铭大方又不失细腻的光的塑造，安藤忠雄以光在无机墙面上描画的“动人表情”，简约而纯净的气息，一次次以它们令人震撼的艺术魅力展示光在建筑设计中的无穷潜力。 如果说大师们运用自然光表现空间和质感的惊人之笔给人以无限的启迪，那么居室环境中人工光技术运用的巨大进步则给我们展现了又一大可作为的天地。 光表现空间设计优秀的设计方案，首先对空间做慎重考虑，因为所有的建筑空间，无论有多少优点，难免有一些遗憾，首先要对其做扬长避短的再调整，即考虑对空间的二次创造，其中光对表现这种二次创造设计如强调空间、突出层次、虚化背景界限、深远空间等有极大的作用。 背景照明：使空间更人性化 背境照明的光线使房间充盈着柔和、迷人的光线，令空间人性化。为获得理想的背境光线，现代的照明设计采用反射自墙面和天花板的光线，这样就可以避免产生亮点，光线也不会在人的脸上产生阴影，从而达到令人满意的光线效果。背境照明的可以来自壁灯、吊灯或在橱柜、梁柱等高处光源。 重点照明：强化突出光线 重点照明采用精心布置的较为集中的光束照射某件物体、艺术品、盆景或某些建筑细部结构。主要目的是取得艺术效果。重点照明的设计常常使观赏者觉得光线是不太明亮的光源提供的，比如蜡烛或墙上的吊灯。嵌入式可调节照明装置、跟踪照明设备或可移动照明装置都可以提供重点照明的光线。 可以让灯光来营造出您所期望的情调和氛围，取得最动人、最富戏剧性的效果。正因为灯光具有如此魅力，可以根据各个房间和空间块面的特殊情形来进行照明规划。由于所要达到的意图和目标不同，设计方案自然也大相径庭。举例来说，如果一个房间没有必要突出家具物品陈设，便不妨采用漫射光照明，让柔和的光线遍洒每一个角落，而在那些放满艺术收藏品的区域，最有效的便是准确、直接的灯光投射，以突出主题。 一些公共活动场所（比如客厅、餐厅）需要有一种友好、亲切的气氛，产生这一效果的最好办法是选用传统的顶灯或枝形灯。如果还能辅以大落地窗，以便吸纳自然光线，效果则更佳。 有时，照明也有一些不寻常的用法。比如，把光源嵌在大理石楼梯的台阶内部，可以产生美丽的半透明光效。即使像台灯之类的家用照明用具，如果加以精心选择，所产生的投影效果和情调也会有很多变化。例如，手制羊皮纸灯罩和日本纸灯灯罩质地比较轻薄透明，光效透过它们射向四周，显得柔和、飘渺；而那些不太透光的灯罩会将光线向下聚拢，其效果与前者相比自然情趣迥异。要是灯架或灯罩上缺了这些饰物，如此丰富有趣的光影组合实在是难以企求的。 浴室的照明设计最好是或浪漫或平易的情调，复古的墙地砖在多层次灯光洋洋洒洒的照射下，带来了古典的美，而局部的投射光则将我们引入深邃。 光的装饰作用在现代居室设计中，光不再仅仅是照明作用，随着人们对环境气氛的要求越来越高，光所具有的装饰效果越来越多地被设计师们所运用，光有冷暖之分，有颜色，经过“裁剪”有形状，光与其他材质配合可共同演绎动人的场景效果。 光色最基础的便是冷暖，室内环境中只用一种色调的光源可达到极为协调的效果，如同单色的渲染，但若想有多层次的变化，则可考虑有冷暖光的同时使用。现代居室中考虑动用五颜六色的光营造温馨气氛的佳做举不胜举，例如淡黄色墙面和地面的房间，采用暖光源与地面石材相映，突出温暖气氛，而白色吊顶采用非直接照明用途的冷光源，达到了衬托暖光源的作用，是一种对比也是一种丰富。装饰照明的光色彩不同，人的视觉效果就不同。用照度适宜的中性白光照射白色或近似白色的墙面，会出现清洁、宽敞、明亮、醒目的效果。通常性况下，鲜艳、饱和、照度充足的彩光会带来健康、明亮、堆璨、瑰丽的效果，而光色不纯或照度不足的彩光则会造成不同程度的负面效果。如微弱的黄光会散发昏暗、暧昧的气息，暗淡的红光会渲染压抑、恐怖的气氛，幽暗的蓝绿光则会造成阴暗、诡秘的效果等等。 另外，照明效果直接受到建筑立面的材料材质的影响。不同颜色的墙面配合灯光给人以不同的感觉。粉刷墙壁应根据需要和条件选择适宜颜色的乳胶漆。一般用白色粉刷墙壁的居多。因为白色反光强，使房间显得洁净、宽敞、明亮，较适合小或暗的居室。淡橙色给人以热烈、愉快、兴奋和温暖的感觉，宜于冬季采用，如果更淡一些，便四季咸宜。红色刺激性较强，一般不宜用来粉刷房间。不过，如果用极淡的粉色浆刷墙，再配以各色灯泡，整个房间会造成热烈、温暖的气氛；用红色内墙乳胶漆来装饰结婚新房，更显得喜庆、热闹。淡蓝或淡绿，前者给人以清爽、开阔的感觉，后者具有安谧恬静的效果。南向的房间可用清淡些的色调，北向的房间宜用暖色调。房顶、墙壁、地面要依次渐变地布色，正如自然环境的过渡：天空的淡蓝，田野的浓绿，土地的黄褐。 光还可被“裁剪”成各种形状，或点，或绒，或面，光的边缘则可虚可硬，主要取决于受光面或是“穿过面” 的形状，如居室的门厅较为狭长，为了不使大门或客厅之间的连接看上去低矮、狭窄、冗长、阴暗，设计师通过大量用光，将其设计成了一个“光的环境”，一个处理精致的门厅走廊，从客厅往外看去，是另一处明亮、有趣的天地，而非简单地承担交通功能的走廊。 此外，光通过影对有质感肌理的材料表现的强化装饰效果，有时还会有意想不到的收获，如光与彩色玻璃的配合几乎可使任何色彩和花纹表现其绚丽多彩的装饰效果。 其实，最能影响室内环境的装饰项目就是光（照明），因为它在不同的程度上影响着我们的生活、工作与休闲。不同形式的照明会左右物体或空间的形象、色调以及它们给人留下的印象。照明既能营造也能破坏室内环境的气氛。 但实际情况常常是：建筑风格与结构已设计完成并付诸建筑实施，这时人们才想到照明，这是一个很大的错误。照明同其它因素一样，需要从设计之初就予与考虑。令人遗憾的是我们（建筑学、室内设计）在这方面缺乏训练与主动的学习思考，出色的照明设计应当把居住者所有的不同需求以及他们的生活方式考虑在内。（一些专业设计软件对光效果的设计分析帮助很大，如：3dsmax，Lightscape， finalrender，Vray， 但仍然需要掌握照明的理论和实践。） 总之，光在居室设计中的运用，令古今中外的很多设计师不断探索其神奇的魅力，当光被设计师们更好地利用并展现其魔力时，我们的生活空间将会创造得更美。
形形色色的光现象在实际生活当中，有很多有趣而奇 妙的光现象。大到吸引全球注意力的日 食、月食，小到肥皂泡上的彩色图案， 只要你留心，随时都能发现自己身边的 光现象。不过，你有没有思考过它们的 原因呢？其实，这些光现象很多都可以 用我们学过的波的知识来解释，现在就 让我们去看一看自己身边奇妙的光现象 吧物理论文——形形色色的光现象 广义范围内的光指全部电磁波。迄今为止，所知的 最长波长为107米左右，最短波长为10-15米左右。 可见光指能引起人视觉的电磁波，其波长约在 ×10-7～×10-7米，它包括从红光到紫光的各 种单色光 。 下面我们将针对可见光谈以下几个问题： 1 光的传播 2 光的反射 3 光的折射 4 光的衍射 5 光的干涉 6 光的散射 7 极光物理论文——形形色色的光现象 一、光的传播 在均匀介质中光沿直线传播。 这条性质我们是司空见惯了。也正 是光的这条性质，使人们费了很大劲才 弄清光的波动性质。究竟有什么现象是 光的直线传播造成的呢？就让我们看一 下吧。物理论文——形形色色的光现象 日食、月食是一重要的 天文现象，是光在同一种均 匀介质中沿直线传播的例 证。物理论文——形形色色的光现象 日全食、日偏食和 日环食 月球的影可以分为本影、半影和伪半 影三部分。月球绕地球的轨道和地球 绕太阳的轨道都不是正圆，所以日、 月同地球之间的距离时近时远。因 此，在日食时，观察者在本影范围看 到太阳全部被月球遮住，称为日全 食；观察者在半影内则见到太阳部分 被月球遮住，称为日偏食；观察者在 伪本影内见到太阳的中间部分被月球 遮住，周边剩下一个光环，称为日环 食。当月球绕地球运行到太阳与地球 之间几乎与太阳同起同落时，从地球 上见不到月球，这时称为朔，日食现 象发生在朔的时候。朔的周期约为 天。但不是每隔天都发生一次日 食，原因是月球绕地球运行的轨道平 面和地球绕太阳运行的轨道平面不完 全重合，两者之间有5°9’的平均夹 角。所以只有当朔时太阳离两个轨道 平面的交点在某一角度以内时才会发 生日食。物理论文——形形色色的光现象 月全食、月偏食与半影月食 月食是月球进入地球阴影，月面变暗的现象。地球在背着太阳的方向 有一条阴影，叫地影。地影分为本影和半影两部分。本影没有受到太 阳直接射来的光，半影受到一部分太阳射来的光。月球在绕地球运行 过程中进入地影后就发生月食。月球整个都进入本影发生月全食；部 分进入本影发生月偏食。月全食和月偏食叫本影月食。有时月球只进 入半影而不进入本影，发生半影月食。 当地球处在太阳与月球之间时，月球朝向地球的一面照满太阳光，从 地球上看月球，月球呈光亮的圆形，这叫望。望的周期与朔相同，月 食只能发生在望的时候。但由于地球与月球运行轨道不在同一平面， 而有一个5°9′的夹角，不是所有望的时候都发生月食。只有当月球 运行到两个轨道平面的交点附近时，月食才可能发生。物理论文——形形色色的光现象 由于地球的本影比 月球大得多，在月 全食时，月球会会 完全进入地球的本 影区内，因此，绝 不会出现月环食这 种现象。 发生月食时， 地面上的观测面积 很大，可覆盖半个 地球，只要是天气 晴朗的夜空就能看 得到。物理论文——形形色色的光现象 本影区是光线完全射不到的地方。点光源生成的影区 周围可以出现亮边，这是由于光的波动性，光遇到障 碍物后，发生衍射的结果。发光体越大，本影区越 小。如白炽灯下的人影很清楚，荧光灯下的人影十分 模糊，就是两者比较而言，白炽灯可看成是点光源， 发光面小；荧光灯的发光面就比白炽灯大得多。医院 里外科手术用的无影灯，就是在一个很大的圆形灯罩 里交错排列或呈环形排列几个到10多个灯球，每个灯 球里有一个镜面灯泡，灯炮下半部的内壁上涂有一层 铝，把光线均匀柔和地反射到整个灯球上。这样，各 个灯球都能把光线照射到手术台上，既保证有足够的 亮度，同时又不留任何影子。物理论文——形形色色的光现象 星光闪烁 夜晚，天上的星星，特别是地平线附近的星星，常以震动的形 式急速变化。时明时暗，上下跳动，左右摇晃。而且有时颜色也 有变化，这就使所谓的星光闪烁，或者说是星星“眨眼”。这是由 于大气处于经常不断地运动中，空气密度也相应地不断变化。又 因为不同光波的折射率是不同的，所以看起来，位置和颜色都不 断地变化。 来自地平线附近的星光，由于穿过的大气层厚，又由于底层大 气变化大，所以闪烁显著。地面的发光物也会有同样的闪烁现 象。 星光闪烁往往反映出大气的不稳定，是天起变化的征兆，所以 有“天上星星跳，风雨就来到”的谚语。 同样的原因，在炎热的夏季，地面上的目标物，由于强烈的增 热，空气密度变化大，大气层不稳定，折射率不断变化，远处看 起来一些树木、房屋等会产生晃动，气象学上称为闪晃。这中闪 晃也和星星闪烁一样，是天起变化的征兆，因为这是大气层不稳 定的表现。物理论文——形形色色的光现象 假设地球表面不存在大气层，那么 人们观察到的日出时刻与实际存在的大 气层的情况相比将延后 。这是由于太阳 光在不均匀的大气层中传播发生弯曲的 原因。海市蜃楼也是介质不均匀造成的 众人皆知的现象。这些现象等说到折射 时再详细说明。物理论文——形形色色的光现象 二、光的反射 我们能够看到的物体有的是光源（自己能发出光 线），有的则是因为它们能反射光。光的反射分为镜 面反射和漫反射，而以漫反射最为常见。光线经光滑 面发生的反射现象。镜反射遵循反射定律，反射光线 是有规律的。平面镜、球面镜及各种曲面的反射都是 镜反射。镜反射能生成各种像，并在适当位置和范围 内能观察到。在现实中，大量的反射都不是在光滑面 上进行的，反射面是粗糙的。在粗糙的表面进行的无 规则反射叫漫反射。漫反射的光线能到各个方向，但 就其中的每条光线而言，都遵循反射规律。一般物 体，我们之所以能从各个方向看到它，就是漫反射的 结果。漫反射在实际中有广泛的应用。物理论文——形形色色的光现象 我们常见的平面镜的反射就是镜面 反射。平行光经镜面反射仍平行。很多 时候我们都利用镜面反射，但有时镜面 反射却是我们要避免的。比如教学用的 黑板，如果太光滑就会造成很多同学看 不清字。这是因为反射光大部分光沿与 镜面反射的路径传播。这时只要把黑板 弄粗糙一些即可。物理论文——形形色色的光现象 当光射到两种媒质界面，只产生反射而不产生 折射的现象叫全反射。当光由光密媒质射向光 疏媒质时，折射角将大于入射角。当入射角增 大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在 光疏媒质中将不出现折射光线，只要入射角大 于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是 全反射。所以，产生全反射的条件是：①光必 须由光密媒质射向光疏媒质。②入射角必须大 于临界角。由于镜面反射常常造成光的能量损 失，常常用全反射透镜代替平面镜。潜望镜就 是这样做的。全反射的应用很广，如改变光的 传播方向、测量折射率和传导光束等。物理论文——形形色色的光现象 三、光的折射 光的折射满足折射定律。其内容如下：①折射线、法线、入射线在同 一平面内。②折射线、入射线在法线的两侧。③折射角的正弦与入射 角的正弦的比值是一常数。 光由光速大的媒质进入光速小的媒质，光线将向法线偏折，即光线配 法线的夹角变小。 在水底有一束光源，光束达到水面然后折射到空气中，当然，也有一 部分光线产生反射。当入射角加大时 ，更多的光线产生反射。当入 射角大于或等于临界角时，发生全反射。临界角是由两个介质的折射 率来决定的： n 是两个介质的折射率。 nair water sinθ nair / nwater crit物理论文——形形色色的光现象 在地球上观察日出时，太阳发出的光线进入大 气层经过无数次折射才映入观察者的眼帘，观察者 认为光是直线传播的，所见太阳好像在如图1-40所示 的S′处的“太阳”乃是阳光经过大气层折射后形成的 虚像。实际上这时的太阳S还在地平线以下。物理论文——形形色色的光现象 透过燃烧得很旺的炉火 上方空气看炉火另一侧竖立 木棍，发现木棍不规则地左 右晃动变得弯曲了，如图所 示，这是由于人眼所见木棍 的虚像密度分布变化的气流 飘移。物理论文——形形色色的光现象 雨后初晴的早晨或傍 晚，或者远处还落着小雨， 另一边又在出太阳，常观察 到天空出现彩虹，这是由于 光的折射产生的色散现象， 如图所示，太阳光进入水滴 后，因各色光的折射率不同 而产生色散。实际上是一部 分光线反射，一部分光线折 射进入水滴，在水滴里面发 生内部反射（全反射）然后 再从水滴折射而出，人眼可 见各色光。物理论文——形形色色的光现象 眼睛 视觉器官。眼睛和照相机相似，一部分是光学成像系统，能够保证在视网膜上形 成外界物体清晰的像；另一部分是与照相底片相似的感光层，即视网膜上的感光 细胞及其外段的光敏色素。 眼球近似于球体，内部的角膜、水样液、晶状体及玻璃体构成屈光系统，起到一 个双凸透镜的作用。眼睛比照相机机构要复杂得多。除了有一套自动调节控制机 制外还能把光携带的信息变成神经电信号并经过初步加工处理传到大脑。 眼睛有一套自动调节控制机制，即能使远处的物体成像在视网膜上，也能使近处 的物体成像在视网膜上。其原因是晶状体本身是有弹性的，可以靠周围肌肉的运 动改变它的表面的弯曲程度，从而改变其焦距。因此眼睛是一种精巧的变焦距系 统。眼睛要看清一个物体，除了像要成在视网膜上以外，还需要成在视网膜上的 像足够的明亮，这主要靠瞳孔的调节，瞳孔的大小是可以改变的，改变它就可以 控制进入眼球的光线的多少，它的作用像照相机的光圈。另外眼睛要看清楚一个 物体还要满足第三个条件，就是物体的两端对眼睛光心所张的视角要大于1分。当 物体对眼睛所张的视角小于1分的时候，在视网膜上所成的像就会落在同一个感光 细胞上，整个物体看上去就会缩成了一点无从分辨。 物体上射出的光一部分进入眼睛在视网膜上成一实像，我们就看清了物体。眼睛 不仅能看清物体，而且还能看清物体通过光学系统所成的虚像，虚像是反射光线 或折射光线的反向延长线形成的，但这些反射光线或折射光线进入眼睛后能在视 网膜上成一实像。 人们眼球的焦距只有厘米左右，所以观察的物体一般总在眼睛的两倍焦距以 外，它在视网膜上所成的像是缩小倒立的实像，由于长时间的感受已养成习惯， 脑神经能清楚地识别各种物体，不至有上下倒置、左右易位的感觉。物理论文——形形色色的光现象 近视眼 一种远点为有限距离的非正常眼，这种眼睛的折光本 领比正常的眼睛大些，或者角膜到视网膜的距离比正 常的眼睛长些。晶状体在曲率最小的时候，也不能把 平行光束会聚在视网膜上（而是聚在视网膜前），这 种眼睛远点不是无限远，只适于看较近的物体，近点 也比10厘米小，要使这种眼睛能够看清楚无限远的物 体，必须把物体在视网膜前所成的像，移到视网膜 上。矫正近视眼的方法是配带一副用凹透镜做的眼 镜，利用这种透镜对于光束的发散作用可以使得物体 所成的像远一点，刚好成在视网膜上。青少年多患近 视眼，因此应该注意眼睛的保健