第一章 物质的属性与光电磁能量质量.docx

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第一章物质的属性与光电磁能量质量

第一篇放射诊疗物理学基础

第一章物质的属性与光、电、磁、能量、质量

人们很早就接触到光、电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。

最初光学主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体”等类问题。

十一世纪阿拉伯人发明制作了凸透镜，16世纪末期荷兰人制造出最早的显微镜。

十七世纪，牛顿进行太阳光的实验，牛顿它能把太阳光分解成简单的组成部分，形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。

根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀介质内遵从力学定律作等速直线运动，发光物体发射出以直线运动的微粒子，微粒子流冲击视网膜就引起视觉，并且用这种观点对折射和反射现象作了解释。

荷兰物理学家惠更斯提出了光的波动说，推导出了光的反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了双折射现象；波动是物质运动的重要形式，广泛存在于自然界。

被传递的物理量扰动或振动有多种形式，机械振动的传递构成机械波，电磁场振动的传递构成电磁波（包括光波）等。

物理学上某一物理量的扰动或振动在空间逐点传递时形成的运动称为波。

　各种波的共同特性还有：

①在不同介质的界面上能产生反射和折射，对各向同性介质的界面，遵守反射定律和折射定律；②通常的线性波叠加时遵守波的叠加原理；③两束或两束以上的波在一定条件下叠加时能产生干涉现象；④波在传播路径上遇到障碍物时能产生衍射现象；⑤横波能产生偏振现象。

在18世纪，发现电荷有两种：

正电荷和负电荷。

不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。

在这两点上和万有引力很相似。

18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。

十九世纪，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。

而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。

不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。

这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。

在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。

为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。

但长期以来，人们只是发现了电和磁的现象，并没有发现电和磁之间的联系。

麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念：

变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。

在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。

这套方程称为麦克斯韦方程组。

麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速，这一预言后来为赫兹的实验所证实。

由于电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力，洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦茨力。

洛伦兹创立电子论，解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释

描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。

人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。

电荷在其周围产生电场，这个电场又以力作用于其他电荷。

磁体和电流在其周围产生磁场，而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。

电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介，它弥漫于整个空间。

电可以生成磁，磁也能带来电，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，所以电磁波也常称为电波。

英国物理学家麦克斯韦引入位移电流的概念，建立了是电磁学的基本方程，创立了光的电磁学说，通过证明电磁波在真空中传播的速度等于光在真空中传播的速度，从而推导出光和电磁波在本质上是相同的，即光是一定波长的电磁波，肯定了光也是一种电磁波。

按照麦克斯韦的理论c/v=√（ε*μ）

式中c为真空中的光速。

ν为在介电常数为ε和导磁系数为μ的媒质中的光速，因为c/v=n（折射率），所有n=√（ε*μ）

这个关系式给出了物质的光学常数，电学常数和磁学常数之间的关系。

当时从上述的公式中看不出n应随着光的波长λ而改变，因而无法解释光的色散现象。

后来罗仑兹在1896年创立了电子论，从这一理论看，介电常数ε是依赖于电磁场的频率，即依赖于波长而变的，从而搞清了光的色散现象。

光的电磁理论能够说明光的传播、干涉、衍射、散射、偏振等许多现象，但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质，所以还需要近代的量子理论来补充。

二十世纪，美国物理学家爱因斯坦提出了著名的光电效应，认为紫外线在照射物体表面时，会将能量传给表面电子，使之摆脱原子核的束缚，从表面释放出来，因此爱因斯坦将光解释成为一种能量的集合——光子。

1925年，法国物理学家德布罗意又提出所有物质都具有波粒二象性的理论，即认为所有的物体都既是波又是粒子，光电效应以及康普顿效应无可辩驳地证明了光是一种粒子，但是光的干涉和光的衍射又表明光确实是一种波。

光的电磁理论能够说明光的传播、干涉、衍射、散射、偏振等许多现象。

随后德国著名物理学家普朗克等数位科学家从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。

普朗克量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的概念提出了光与物质相互作用的问题。

量子理论和相对论相继建立，物理学由经典物理进入了现代物理学，将人类对物质属性的理解完全展拓了。

现代光学中光量子概念、量子力学和量子电动力学阐明原子光谱、分子光谱和离子光谱；能解释电场、磁场和声场对光谱的效应；能建立激发条件和光谱特性的关系。

综上所述，光是指所有的电磁波谱，沿直线传播的，光的传播也不需要任何介质。

但是，光在介质中传播时，由于光受到介质的相互作用，其传播路径会发生偏折，产生反射与折射的现象。

光源之所以发出光，是因为光源中原子、分子的运动，主要有三种方式:

热运动、跃迁辐射（包括自发辐射和受激辐射），以及物质内部带电粒子加速运动时所产生的光辐射。

光的本质应该认为是“光子”，是由光子为基本粒子组成，它具有波粒二相性。

同时光具有动态质量，根据爱因斯坦质能方程可算出其质量。

1、质能方程　

爱因斯坦著名的质能方程式E＝mc2，E表示能量，m代表质量，而c则表示光速。

相对论的一个重要结果是质量与能量的关系。

质量和能量是不可互换的，是建立在狭义相对论基础上，1915年他提出了广义相对论。

爱因斯坦1905年6月发表的论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，解释了光的本质，这也使他于1921年荣获了诺贝尔物理学奖。

质能方程式的推导　　

首先要认可狭义相对论的两个假设：

1、任一光源所发之球状光在一切惯性参照系中的速度都各向同性总为c

2、所有惯性参考系内的物理定律都是相同的。

　　如果你的行走速度是v，你在一辆以速度u行驶的公车上，那么当你与车同向走时，你对地的速度为u+v，反向时为u-v，你在车上过了1分钟，别人在地上也过了1分钟——这就是我们脑袋里的常识。

也是物理学中著名的伽利略变换，整个经典力学的支柱。

该理论认为空间是独立的，与在其中运动的各种物体无关，而时间是均匀流逝的，线性的，在任何观察者来看都是相同的。

　　而以上这个变幻恰恰与狭义相对论的假设相矛盾。

　　事实上，在爱因斯坦提出狭义相对论之前，人们就观察到许多与常识不符的现象。

物理学家洛伦兹为了修正将要倾倒的经典物理学大厦，提出了洛伦兹变换，但他并不能解释这种现象为何发生，只是根据当时的观察事实写出的经验公式——洛伦兹变换——而它却可以通过相对论的纯理论推导出来。

　　然后根据这个公式又可以推倒出质速关系，也就是时间会随速度增加而变慢，质量变大，长度减小。

　　一个物体的实际质量为其静止质量与其通过运动多出来的质量之和。

　　当外力作用在静止质量为m0的自由质点上时，质点每经历位移ds，其动能的增量是dEk=F·ds，如果外力与位移同方向，则上式成为dEk=Fds，设外力作用于质点的时间为dt，则质点在外力冲量Fdt作用下，其动量增量是dp=Fdt，考虑到v=ds/dt，有上两式相除，即得质点的速度表达式为v=dEk/dp，亦即dEk=vd（mv）=V^2dm+mvdv，把爱因斯坦的质量随物体速度改变的那个公式平方，得m^2（c^2-v^2）=m0^2c^2,对它微分求出：

mvdv=（c^2-v^2）dm，代入上式得dEk=c^2dm。

上式说明，当质点的速度v增大时，其质量m和动能Ek都在增加，质量的增量dm和动能的增量dEk之间始终保持dEk=c2dm所示的量值上的正比关系。

当v=0时，质量m=m0，动能Ek=0，据此，将上式积分，即得∫Ek0dEk=∫m0mc2dm（从m0积分到m）Ek=mc2-m0c2

　　上式是相对论中的动能表达式。

爱因斯坦在这里引入了经典力学中从未有过的独特见解，他把m0c2叫做物体的静止能量，把mc2叫做运动时的能量，我们分别用E0和E表示：

E=mc2,E0=m0c2。

　　推导：

首先是狭义相对论得到

　　洛伦兹因子γ=1/sqrt（1-v2/c2）

　　所以，运动物体的质量M（v）=γm0=m0/（1-v^2/c^2）

　　然后利用泰勒展开

　　1/sqrt（1-v^2/c^2）=1+1/2*v^2/c^2+....

　　得到M（v）c^2=γm0c^2=m0c^2/（1-v^2/c^2）=m0c^2+1/2m0v^2+...

　　其中m0c^2为静止能，1/2m0v^2就是我们平时见到的在低速情况下的动能，后面的省略号是高阶的能量。

E=MC2

E是能量单位是焦耳（J）M是质量，单位是千克（Kg），C是光速！

C=3×108

　　质能方程:

E=mc^2是否违背了质量守恒定律?

　　质能方程并不违反质量守恒定律，质量守恒定律是指在任何与周围隔绝的体系中，不论发生何种变化或过程，其总质量始终保持不变。

或者说，化学变化只能改变物质的组成，但不能创造物质，也不能消灭物质，所以该定律又称物质不灭定律。

　　而质能方程是表述了质量和能量之间关系，所以不违背质量守恒定律。

同时公式说明物质可以转变为辐射能，辐射能也可以转变为物质。

这一现象并不意味着物质会被消灭，而是物质的静质量转变成另外一种运动形式。

（由于当时科学的局限，这条定律只在微观世界得到验证，后来又在核试验中得到验证）所以20世纪以后，因此而在原来质量守恒定律和能量守恒定律上发展出质量和能量守恒定律，合称质能守恒定律。

　　关于质量和能量的关系：

　　质量和能量就是一个东西，是一个东西的两种表述。

质量就是内敛的能量，能量就是外显的质量。

　　正如爱因斯坦而言：

“质量就是能量，能量就是质量。

时间就是空间，空间就是时间。

”

　　质能方程分为总能量和静止质量.

　　质能方程的三种表达形式

　　表达形式1：

E0=m0c2

　　　上式中的m0为物体的静止质量，m0c为物体的静止能量.中学物理教材中所讲的质能方程含义与此表达式相同，通常简写为E=mc2.

　　　表达形式2：

Ev=Mvc2　　

　　　随运动速度增大而增大的量.mc为物体运动时的能量，即物体的静止能量和动能之和.

　　　表达形式3：

ΔE=Δmc2

　　　上式中的Δm通常为物体静止质量的变化，即质量亏损.ΔE为物体静止能量的变化.实际上这种表达形式是表达形式1的微分形式.这种表达形式最常用，也是学生最容易产生误解的表达形式.

　　物体的静止能量：

物体的静止能量是它的总内能，包括分子运动的动能、分子间相互作用的势能、使原子与原子结合在一起的化学能、原子内使原子核和电子结合在一起的电磁能，以及原子核内质子、中子的结合能…….物体静止能量的揭示是相对论最重要的推论之一，它指出，静止粒子内部仍然存在着