光学原理本科教学课件

光学原理本科教学课件欢迎来到光学原理本科课程本课程旨在为物理、工程及相关专业学生提供光学领域的基础理论与应用知识通过系统学习光的性质、传播规律以及在现代技术中的应用，帮助学生建立完整的光学知识体系，培养分析和解决光学问题的能力本课件涵盖从几何光学到物理光学，从传统光学仪器到现代光电技术的广泛内容，配合丰富的实验与实践环节，旨在提供全面而深入的光学教育课程概述课程目标教学内容12本课程旨在培养学生系统掌握光课程内容包括几何光学基础（光学基本原理，熟悉光学现象的物的传播、反射、折射、成像等）理本质，建立物理思维模式通，物理光学（干涉、衍射、偏振过理论学习和实验实践，学生将等），以及现代光学技术（激光能够理解光的本性和传播规律，、光纤、光电子学等）每个主掌握几何光学和波动光学的基础题将通过理论教学和演示实验相知识，了解光学在现代科技中的结合的方式进行讲授，加深学生应用的理解学习要求3学生需完成课堂学习、课后作业、实验报告和期末考试要求掌握光学基本概念和原理，能够分析和解决基本光学问题，具备基本实验技能，了解光学在现代科技中的应用趋势本课程需要高等数学、普通物理学的基础知识光学的基本概念光的本质光的传播光的波动性和粒子性光具有波粒二象性，既表现为电磁波，在均匀介质中，光沿直线传播，传播速光的波动性体现在干涉、衍射等现象中又表现为光子流作为电磁波，光的波度与介质的折射率有关在真空中，光，可以用波动方程描述光的粒子性体长范围约为380-760纳米，对应可见光速约为3×10^8米/秒，这是自然界中的现在光电效应、康普顿效应等现象中，谱光的波粒二象性是量子力学的重要最大速度光的传播遵循费马原理，即每个光子携带的能量与其频率成正比基础，不同实验条件下光表现出不同的光线总是选择光程最短或光程时间最少爱因斯坦的光量子理论成功解释了光电特性的路径效应，建立了光子概念几何光学基础光线1几何光学中，光被简化为光线，即光传播路径上的一条直线光线是描述光传播方向的几何抽象，忽略了光的波动性，仅考虑能量的传播方向这种简化在波长远小于物体尺寸时是有效的，可以用来分析反射、折射和成像等现象光路2光路是指光在传播过程中所经过的路径，包括直线传播、反射和折射等光路长度等于几何距离乘以介质的折射率在光学系统分析中，光路图是理解光的传播和成像的重要工具，可以直观地表示光线的传播轨迹费马原理3费马原理是几何光学的基本原理，它指出光从一点到另一点的传播路径总是使得光程时间达到极值（通常是最小值）这一原理可以用来推导反射定律和折射定律，是理解光传播路径选择的基础原理，对光学系统设计具有重要指导意义反射与折射反射定律折射定律全反射反射定律指出，当光线折射定律（斯涅尔定律当光从折射率较大的介从一种介质射向另一种）描述了光从一种介质质射向折射率较小的介介质的界面时，入射光进入另一种介质时方向质时，如果入射角大于线、反射光线和法线都的改变它指出入射光临界角，就会发生全反在同一平面内，且入射线、折射光线和法线都射现象，即所有光能量角等于反射角即θi=在同一平面内，且都被反射回原介质，没θr，其中θi为入射角，n1sinθ1=n2sinθ2，其有光能穿过界面临界θr为反射角反射分为中n1和n2分别是两种介角θc=arcsinn2/n1镜面反射和漫反射，镜质的折射率，θ1是入射，其中n1n2全反射面反射遵循反射定律，角，θ2是折射角这一是光纤通信、棱镜和光而漫反射则向各个方向定律解释了为什么光在学仪器设计的重要原理散射光线不同介质中传播方向会发生改变平面镜成像成像原理平面镜成像基于光的反射定律当光线从物体射向平面镜后反射，反射光线的延长线相交于镜后，形成虚像平面镜成像可以通过作图法确定，入射光线和反射光线遵循反射定律，即入射角等于反射角成像过程中，光线实际上并未通过像点像的特点平面镜所成的像具有几个典型特征一是像与物距离镜面相等；二是像的大小与物体相同；三是像是正立的（上下方向不变）；四是像是左右相反的（左右方向互换）；五是像是虚像，即光线实际上不经过像所在的位置，不能在屏幕上接收到应用实例平面镜在日常生活和技术领域有广泛应用从普通的浴室镜子到潜望镜、万花筒、激光谐振腔等，都利用了平面镜的成像原理此外，平面镜也应用于光学仪器的反光系统中，如反射式天文望远镜、激光雷达系统等，用于改变光的传播方向球面镜凸面镜凸面镜是反射面向外凸的球面镜，其反射面是球面的一部分当平行光线射向凸面镜时，反射光线看似来自镜后的一点，称为虚焦凹面镜点凸面镜的焦距为负值，等于曲率半径的2负一半，即f=-R/2凸面镜总是形成缩小的凹面镜是反射面向内凹的球面镜，其反正立虚像，视野较广，常用于安全反光镜射面是球面的一部分当平行光线射向凹面镜时，反射光线会汇聚于一点，称1为焦点凹面镜的焦距等于曲率半径的球面镜方程一半，即f=R/2凹面镜可以形成放大的实像或虚像，具体取决于物体位置与球面镜成像可以用镜面方程描述1/p+1/q3焦点的相对关系=1/f，其中p是物距，q是像距，f是焦距此外，像的线性放大率为m=-q/p，负号表示像的方向与物体相反这些方程适用于球面镜，但在球面像差较大时需要考虑附加校正项球面镜成像成像规律像的性质球面镜成像遵循球面镜公式1/u+球面镜成像的性质取决于物体位置1/v=1/f，其中u为物距，v为像距，对凹面镜，物体在焦点外时，像是倒f为焦距对凹面镜，当物体位于焦点立的实像；物体在焦点和镜面之间时外侧时，成实像；位于焦点内侧时，，像是正立放大的虚像对凸面镜，成虚像对凸面镜，无论物体位置如像总是正立缩小的虚像像的大小还何，总是成正立缩小的虚像通过这与物距和焦距有关，可以通过放大率一公式，可以预测并计算球面镜的成m=-v/u计算负号表示像是倒立的像位置和特性，正号表示像是正立的放大率球面镜的横向放大率定义为像高与物高之比，可表示为m=h/h=-v/u当|m|1时，像比物体大；当|m|1时，像比物体小；当m0时，像是正立的；当m0时，像是倒立的纵向放大率与横向放大率平方成正比，这导致球面像差，是球面镜成像的固有缺陷之一薄透镜薄透镜是光学系统中的基本元件，其厚度远小于其焦距凸透镜中心厚于边缘，使平行光会聚；凹透镜中心薄于边缘，使平行光发散薄透镜的光学性能主要由其焦距决定，焦距与透镜的曲率半径和材料的折射率有关，符合透镜制造公式1/f=n-11/R₁-1/R₂，其中n为透镜材料的折射率，R₁和R₂为两表面的曲率半径薄透镜成像成像规律1薄透镜成像遵循薄透镜方程1/u+1/v=1/f，其中u为物距，v为像距，f为焦距像的性质2凸透镜可形成实像或虚像，凹透镜仅形成虚像像的大小、位置和性质取决于物体位置应用实例3薄透镜广泛应用于眼镜、照相机、显微镜、望远镜等光学仪器中薄透镜成像是光学系统的基础对于凸透镜，当物体位于二倍焦距以外时，成倒立缩小的实像；位于一倍到二倍焦距之间时，成倒立放大的实像；位于焦点内时，成正立放大的虚像对于凹透镜，无论物体位于何处，总是形成正立缩小的虚像薄透镜的放大率可以通过m=v/u计算，其中v是像距，u是物距光学仪器基础照相机放大镜显微镜照相机是利用透镜成像原理将物体的光学像放大镜是最简单的光学仪器，由单个凸透镜显微镜用于观察肉眼无法看清的微小物体，记录下来的装置主要由镜头（透镜组）、组成当物体放置在焦点以内时，形成正立由物镜和目镜两个主要光学系统组成物镜光圈、快门和感光元件组成镜头负责汇聚放大的虚像放大倍数与焦距有关，等于标离物体较近，生成放大的实像；目镜进一步光线形成清晰像，光圈控制进光量，快门控准近点距离（25厘米）除以焦距放大镜的放大该实像，形成最终的虚像显微镜的总制曝光时间，感光元件（传统胶片或现代放大作用是由于其使观察者能够将物体放在放大率等于物镜放大率与目镜放大率的乘积CCD/CMOS传感器）记录光学像照相机更近的位置观察，同时保持清晰的视觉，从现代显微镜还可以配备各种特殊附件，如的成像质量受到镜头质量、光圈大小和感光而在视网膜上形成更大的像暗场照明装置、相差装置和荧光装置等元件性能的影响眼睛的光学系统毫米毫米247眼球长度瞳孔最大直径成人眼球的前后直径约为24毫米，这个尺寸对于正常视力至关重要在极暗环境下，瞳孔可扩张至最大约7毫米，控制进入眼睛的光量屈光度厘米

592.5眼睛总屈光力近点距离人眼的总屈光力约为59屈光度，主要来自角膜和晶状体的折射作用年轻健康的眼睛能够清晰看到约25厘米处的物体，这是正常近点距离人眼是一个复杂而精密的光学系统，主要由角膜、房水、晶状体、玻璃体和视网膜组成角膜提供大部分折射能力，晶状体通过调节改变焦距实现对不同距离物体的清晰成像视觉成像过程中，光线经过角膜和晶状体折射后在视网膜上形成倒立实像，视网膜上的感光细胞将光信号转换为神经信号，经视神经传导至大脑视觉中枢形成视觉光的干涉现象相干光波的叠加1两束光波相互叠加，能量重新分布相位差决定干涉类型2相位差决定是相长还是相消干涉相干条件必不可少3光源必须相干，频率相同且相位差恒定光的干涉是波动光学的核心现象，指两束或多束相干光波叠加时，在空间某些点光强增强（相长干涉），而在另一些点光强减弱（相消干涉）的现象干涉发生的必要条件是光波必须相干，即具有相同频率且相位差恒定相干光源通常通过分波方式获得，如光束分裂或采用双缝等干涉条纹的明暗分布取决于光程差当光程差为波长的整数倍时，形成明条纹（相长干涉）；当光程差为波长的半整数倍时，形成暗条纹（相消干涉）干涉现象是证明光具有波动性的直接证据，也是许多精密光学测量技术的基础杨氏双缝干涉实验设置杨氏双缝干涉实验由单色光源、单缝（确保相干性）、双缝（分波）和接收屏组成光源发出的光通过单缝后，形成相干光；相干光照射到具有两个平行窄缝的屏上，每个缝成为新的次级光源；这两个次级光源发出的光波在接收屏上相遇并干涉，形成明暗相间的条纹干涉条纹的形成双缝干涉中，来自两个缝的光在接收屏上相遇时，由于传播路径不同，产生光程差当光程差等于波长的整数倍时，发生相长干涉，形成明条纹；当光程差等于波长的半整数倍时，发生相消干涉，形成暗条纹这种规律的条纹分布是波动现象的典型特征计算公式对于双缝干涉，第k级明条纹的位置可以通过公式xk=kλD/d计算，其中λ是光的波长，D是双缝到接收屏的距离，d是双缝间距，k是干涉级次（0，±1，±

2...）相邻明条纹之间的距离为Δx=λD/d这些公式显示，条纹间距与光波长成正比，与双缝间距成反比薄膜干涉等厚干涉等厚干涉发生在厚度变化的薄膜中，如牛顿环和肥皂膜光在薄膜两表面反射的光波发生干涉，由于薄膜厚度的变化，不同位置的光程差不同，形成明暗相间的干涉图样在等厚干涉中，每个干涉条纹连接薄膜中具有相同厚度的点，故称等厚干涉等倾干涉等倾干涉发生在厚度均匀的薄膜中，如平行玻璃板当非平行光束入射时，不同入射角的光线经薄膜两表面反射后产生不同的光程差，导致干涉等倾干涉条纹是同心圆环状，每个环对应特定的入射角，故称等倾干涉这种干涉常用于精密测量波长和薄膜厚度应用实例薄膜干涉在日常生活和科学技术中有广泛应用肥皂泡表面的彩色花纹、光学镀膜产生的增透或增反射效果、油膜在水面上形成的彩虹色都是薄膜干涉的例子在工业上，薄膜干涉用于测量表面平整度、制作光学滤光片和精密测量薄膜厚度等特别是在光学镀膜技术中，通过控制薄膜厚度可以实现特定波长的增透或增反射迈克尔逊干涉仪精密测长光谱分析折射率测量引力波探测其他应用迈克尔逊干涉仪是一种高精度的光学仪器，由迈克尔逊于1881年发明其核心结构包括一个分光镜、两面反射镜和一个检测器光束从光源发出后，经分光镜分为两束垂直的光束，分别沿两条臂传播并被反射镜反射回来，再次通过分光镜后在检测器上叠加，产生干涉图样这种干涉仪应用广泛可测量极小的距离变化，精度达波长的几分之一；用于测定光波波长、标准长度和折射率；进行光谱分析；在天文学中用于测量恒星视直径最著名的应用是迈克尔逊-莫雷实验，证明了以太不存在，为相对论奠定了基础现代激光迈克尔逊干涉仪在引力波探测中发挥关键作用，如LIGO项目成功探测到引力波光的衍射现象惠更斯菲涅耳原理1-惠更斯-菲涅耳原理是理解衍射现象的基础理论该原理指出，波前上的每一点都可被视为次级球面波源，这些次级波的叠加形成新的波前当光波遇到障碍物时，次级波源的分布受到限制，导致光在几何阴影区域也能观察到，这就是衍射现象该原理成功解释了各种衍射现象，为波动光学奠定了理论基础衍射的类型2衍射主要分为夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射两种夫琅禾费衍射（远场衍射）发生在观察屏距离衍射孔径很远的情况下，入射光和观察屏均可视为平面波菲涅耳衍射（近场衍射）发生在观察屏距离衍射孔径较近的情况下，需考虑球面波的传播两者的数学处理方法不同，但物理本质相同，都是由光的波动性引起的衍射图样3衍射图样是衍射现象产生的明暗分布图案，其形状取决于衍射孔径的几何形状和尺寸单缝衍射产生交替明暗的条纹；圆孔衍射产生同心圆环状的艾里斑；方孔产生十字交叉状图样；光栅产生高亮度、窄宽度的主极大衍射图样的精确分析需要考虑光程差和相位关系，通常使用复数表示的光场进行计算单缝衍射单缝衍射是最基本的衍射现象之一，当单色光通过宽度为a的窄缝时，在远处屏幕上会形成明暗相间的衍射图样中央是一个宽而亮的主极大，两侧是交替出现的次极大和极小极小位置满足公式asinθ=mλ（m为非零整数），其中θ是衍射角，λ是光的波长衍射图样的强度分布可以用公式I=I₀[sinπαsinθ/λ/παsinθ/λ]²表示，这表明不同宽度的缝会产生不同的衍射图样圆孔衍射艾里斑分辨率应用实例当光通过圆形小孔衍射时，在远处屏幕上形成圆孔衍射与光学系统分辨率密切相关根据瑞圆孔衍射在光学仪器设计和图像分析中有广泛的衍射图样称为艾里斑其特点是中央有一个利判据，两点光源的像只有在一个点的中央亮应用在天文望远镜中，衍射限制了恒星成像明亮的圆斑，周围环绕着一系列明暗相间的同斑至少落在另一个点的第一暗环处才能被分辨的分辨率；在显微镜中，衍射决定了可分辨的心环中央明斑含有约84%的总能量，第一个开这意味着两点的最小可分辨角度为θmin=最小结构尺寸；在激光技术中，衍射影响光束暗环的角半径满足sinθ=

1.22λ/D，其中D是圆

1.22λ/D，其中D是光学系统的口径这一原理的聚焦特性此外，衍射图样分析也用于表面孔直径，λ是光的波长艾里斑的数学描述涉及解释了为什么大口径望远镜具有更高的分辨率质量检测、粒度分析和全息技术了解衍射原贝塞尔函数，是圆孔衍射的理论解析结果，也说明了衍射如何从根本上限制了光学系统理对于优化光学系统设计和解释成像结果至关的分辨能力重要光栅衍射光栅结构衍射图样1光栅是由大量等间距平行狭缝或反射条纹组成的形成明亮锐利的主极大和暗区，主极大间距与波光学元件2长成正比色散与分辨率光栅方程4光栅能将不同波长的光分离，分辨率与光栅总狭dsinθ=mλ，d为光栅常数，m为衍射级次，λ为3缝数成正比波长光栅是衍射光学中的核心元件，其工作原理基于多光束干涉和衍射的综合作用当单色光照射到光栅上时，每条狭缝都会产生衍射，而来自不同狭缝的衍射光又会相互干涉，在某些特定方向上产生极强的光强，即主极大这些主极大的位置满足光栅方程dsinθ=mλ，其中d是光栅常数（相邻狭缝间距），θ是衍射角，m是衍射级次（整数），λ是光的波长光栅的主要应用是光谱分析，因为不同波长的光在衍射后会指向不同角度，形成光谱光栅的分辨本领R=mN，其中N是光栅上的总狭缝数，m是衍射级次现代光栅包括反射光栅、全息光栅和闪耀光栅等多种类型，广泛应用于光谱仪、单色仪以及其他需要分离不同波长光的光学系统中光的偏振偏振光的概念自然光与偏振光偏振片偏振是光的电磁波特性，描述光波的电场振动方自然光（如太阳光）是非偏振光，其电场振动方偏振片是制造和分析偏振光的重要工具，由能选向自然光的电场振动方向随机分布在垂直于传向随机变化，在垂直于传播方向的所有方向上强择性地吸收某一振动方向光的材料制成当自然播方向的平面内，而偏振光的电场振动有规律性度均匀自然光可通过多种方式转变为偏振光光通过偏振片时，仅允许电场沿透射轴方向振动线偏振光的电场仅在一个方向上振动；圆偏振通过选择性吸收（偏振片）；通过反射（布儒斯的光通过，产生线偏振光当偏振光通过第二个光的电场端点在垂直于传播方向的平面内做圆周特角反射）；通过散射（大气散射）；通过双折偏振片（检偏器）时，透射光强度遵循马吕斯定运动；椭圆偏振光的电场端点描绘椭圆轨迹偏射（方解石）这些方法都是基于光与物质相互律I=I₀cos²θ，其中θ是两偏振片透射轴之间的振现象证明了光的横波性质作用时对特定振动方向的光的选择性反应夹角偏振片广泛应用于偏光太阳镜、摄影滤镜、LCD显示器等领域布儒斯特定律入射角（度）反射光强度偏振度布儒斯特定律描述了光在两种透明介质界面反射时的偏振现象当非偏振光以特定角度（布儒斯特角）入射到界面时，反射光完全偏振，且电场振动方向垂直于入射面布儒斯特角θp满足tanθp=n₂/n₁，其中n₁是入射介质的折射率，n₂是折射介质的折射率此时，反射光线与折射光线相互垂直这一现象的物理解释是当入射角为布儒斯特角时，平行于入射面振动的光波在反射过程中的振幅为零，因此反射光只包含垂直于入射面振动的分量布儒斯特定律在偏振光学、摄影、激光技术中有重要应用例如，偏振太阳镜可以滤除水面反射的偏振光，减少眩光；在光学仪器中，可利用布儒斯特角反射产生高度偏振的光束双折射现象各向异性介质寻常光与非常光应用实例双折射现象发生在各向异性介质中，即材料的当光进入双折射晶体时，会分裂为两束偏振光双折射现象广泛应用于光学仪器和技术中波光学性质在不同方向上不同在这类材料中，寻常光（O光）和非常光（E光）寻常光遵片（如四分之一波片和半波片）利用双折射改光的传播速度和折射率与传播方向和偏振状态循普通折射定律，在所有方向上具有相同的折变偏振光的状态，将线偏振光转变为圆偏振光有关典型的各向异性晶体包括方解石、石英射率；非常光则不遵循普通折射定律，其折射或改变偏振平面方向偏光显微镜利用双折射、云母等这种光学异性源于晶体结构的非对率随传播方向变化这两束光具有相互垂直的鉴定晶体和研究应力分布液晶显示器（LCD称性，导致电磁波在不同方向上的电场感受到偏振方向，传播速度不同，导致它们在晶体中）基于电场控制液晶分子取向导致的双折射变不同的介电常数沿不同路径传播，产生两个像化，实现图像显示此外，双折射还用于光调制器、光隔离器和量子光学中旋光现象旋光物质旋光角旋光物质具有使线偏振光偏振平面旋转旋光角是偏振光通过旋光物质后，偏振的性质这类物质可分为天然旋光物质平面旋转的角度对于均匀旋光物质，和人工旋光物质天然旋光物质包括石旋光角α与光程长度L和物质浓度C成正英晶体、蔗糖溶液、葡萄糖溶液等；人比α=[α]·L·C，其中[α]是比旋光度，与工旋光物质如处于磁场中的某些物质（物质性质、光波长和温度有关顺时针法拉第效应）旋光性源于分子或晶体旋转称为右旋（+），逆时针旋转称为左结构的手性或非对称性，使不同圆偏振旋（-）光的波长越短，旋光角通常越光在介质中的传播速度不同大，这种现象称为旋光色散应用实例旋光现象在多个领域有重要应用旋光仪用于测量物质的旋光度，广泛应用于化学、制药和食品工业中的浓度分析；在药物开发中，通过测量旋光度区分手性分子的不同异构体；在材料科学中，旋光性材料用于开发特殊光学元件；在糖业中，通过测量旋光度确定糖溶液的浓度；在量子光学中，旋光材料用于控制光子的偏振状态光的色散色散现象色散是指光的折射率随波长变化的现象通常，介质的折射率随波长减小而增大，即蓝光的折射率大于红光这导致不同颜色的光在通过棱镜等光学元件时发生不同程度的折射，产生色散色散的数学描述通常使用阿贝数或色散公式（如考西公式nλ=A+B/λ²）正常色散介质的折射率随波长减小而增大，异常色散区域则相反棱镜色散当白光通过棱镜时，由于不同波长光的折射率不同，光束被分解为包含各种颜色的光谱紫光折射最强，红光最弱，形成从红到紫的连续光谱棱镜的色散能力与材料的色散性质有关，通常用棱镜的角色散表示dθ/dλ，表示单位波长变化引起的偏转角变化高色散玻璃（如重火石玻璃）制成的棱镜具有更强的色散能力彩虹的形成彩虹是自然界中最壮观的色散现象，形成于雨后空气中的水滴对阳光的折射、内反射和再折射过程当阳光射入水滴时，不同颜色的光经过折射和反射后以不同角度射出，观察者只能看到特定角度反射的特定颜色主彩虹的角度约为42°，次彩虹约为51°且颜色顺序相反彩虹的颜色顺序从外到内依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，与棱镜色散产生的光谱顺序一致光谱光谱是指按波长或频率排列的电磁辐射分布根据产生方式和特性，光谱可分为三类连续光谱、线状光谱和带状光谱连续光谱（如白炽灯）包含连续范围的波长，没有明显间断；线状光谱（如气体放电管）仅包含一系列离散波长的光；带状光谱（如分子辐射）包含一组波长相近的谱线，形成带状结构光谱分析是研究物质与电磁辐射相互作用的强大工具通过分析物质产生、吸收或散射的光谱，可以确定物质的成分、浓度、温度和其他性质吸收光谱用于研究物质对光的选择性吸收；发射光谱用于研究物质激发后发射的光；拉曼光谱研究光与分子振动的相互作用光谱分析广泛应用于天文学、化学、材料科学、医学和环境监测等领域光的吸收与散射1/λ⁴瑞利散射系数瑞利散射强度与波长的四次方成反比，蓝光散射比红光强10倍以上

0.14水的吸收系数可见光波段水的平均吸收系数约为

0.14/m，红光在水中衰减最快度360散射角范围光散射可以发生在所有方向，散射光的空间分布取决于散射粒子大小

0.434吸光度系数比尔定律中的常数，与分子的吸收横截面和光路长度有关光的吸收是指光能被物质吸收并转化为其他形式能量的过程比尔定律描述了光在均匀吸收介质中的衰减I=I₀e^-αx，其中I₀是入射光强度，I是透射光强度，α是吸收系数，x是光路长度不同物质对不同波长光的吸收能力不同，这种选择性吸收决定了物质的颜色和光谱特性光的散射是指光在传播过程中遇到粒子或不均匀区域时，部分光能向各个方向重新分布的现象根据散射粒子尺寸与光波长的关系，散射可分为瑞利散射（粒子远小于波长）和米氏散射（粒子尺寸与波长相当）瑞利散射强度与波长的四次方成反比，这解释了为什么天空呈蓝色（短波长蓝光散射更强）而日落呈红色（长波长红光穿透大气层能力更强）散射在大气光学、胶体科学和生物医学成像中有重要应用光的量子性光子光的基本单位——1离散能量包E=hν，具有波粒二象性光电效应和康普顿效应2直接证明光的粒子性质的经典实验波恩解释和量子概率3波函数描述光子状态，概率分布遵循波动规律光学现象的量子解释4干涉、衍射等现象可通过光子概率分布解释光的量子性是指光以不连续的能量单位（光子）形式存在和传播的特性爱因斯坦在1905年提出光量子假说，认为光由离散的能量包（光子）组成，每个光子的能量E=hν，其中h是普朗克常数，ν是光的频率光子没有静止质量，但具有动量p=h/λ，其中λ是光的波长光电效应是验证光量子理论的关键实验当光照射到金属表面时，如果光子能量超过金属的逃逸功，就能使电子脱离金属表面光电效应三个特征存在截止频率、光电流强度与光强成正比、光电子动能与频率成线性关系，都只能用光子理论解释康普顿效应——X射线与电子碰撞导致波长增加的现象——进一步证明了光的粒子性这些实验确立了光的波粒二象性，为量子力学奠定了基础。