物質(zhì)表面吸 光子所攜帶的能量,

1、(一)雷射的簡單原理一般的光線具多相（由不同波長的光組合而成）和散發(fā)性，所以照度和距離平方成反比。雷射光則是單相光，光線在雷射管中，反覆地反射→激發(fā)→反射，能量逐漸累積，且光線的方向一致。所以雷射光具有高能量及低散發(fā)性。可以利用這個特性。雷射是將大量的光子(photon)聚集在單一方向，使其具有高同調(diào)性及單一波長的特性，並利用光學(xué)系統(tǒng)將光在加工物件上聚集成一極小的範(fàn)圍，通常直徑約在數(shù)百個微米(um)以下。物質(zhì)表面吸光子所攜帶的能量，進(jìn)而和材料進(jìn)行交互作用而產(chǎn)生加工的效果，但隨著波長所屬範(fàn)圍的不同，其交互作用的機(jī)制卻也有相當(dāng)大的差異。雷射(LASER)是Lig

2、nt Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫。要瞭解雷射的基本原理必須先回想原子的構(gòu)造。原子由原子核與在週圍繞轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成，電子在一定的軌道繞轉(zhuǎn)，各軌道各有一定的能量，離原子愈遠(yuǎn)的軌道能階愈高。當(dāng)電子受到外來能量的激發(fā)時(例如光子)，從基態(tài)跳躍至較高能階的軌道，此種狀態(tài)即稱為受激態(tài)。電子並不能長久處於受激態(tài)，約僅百萬分之一秒即回到原來之軌道，也就是回復(fù)基態(tài)，此時電子會放出原先吸收之能量，這就是自發(fā)放射。當(dāng)電子正處於受激態(tài)時，如果正好又有外來適量的光子撞擊時，愛因斯坦認(rèn)為這個光子不會被吸收，而會誘導(dǎo)受激態(tài)的電子落至原先的軌道，放出

3、與這個光子一模一樣的光子(相同波長，相同方向，相位也相同)，這就是激發(fā)放射。而這兩個一模一樣的光子又可以分別激發(fā)其他的受激態(tài)電子放出一模一樣的光子，總共會有四個一模一樣的光子，繼續(xù)進(jìn)行連鎖反應(yīng)而製造出波長相位均相同的光能，這就是雷射光。但是困難的地方是，原子的受激態(tài)大約只能維持百萬分之一秒，而且大部分的原子都在穩(wěn)定的基態(tài)，只有少數(shù)的原子在受激態(tài)，所以不容易造成連鎖反應(yīng)，這就有如在一個穩(wěn)定的社會，只有少數(shù)人示威遊行，搖旗吶喊是起不了甚麼大作用的，但是如果整個社會人心沸騰，社會極不穩(wěn)定，只要有少數(shù)人登高一呼，可能就有排山倒海的連鎖反應(yīng)效果。類似的道理，要產(chǎn)生雷射光，也必須持續(xù)給予能量，使雷射介質(zhì)處

4、於居量反轉(zhuǎn)狀態(tài)，也就是大部分的原子都在不穩(wěn)定的受激態(tài)，此時少量的光子就能夠藉激發(fā)放射的連鎖反應(yīng)來產(chǎn)生雷射光了。不同的雷射介質(zhì)就會產(chǎn)生不同波長的雷射光，雷射常以活性介質(zhì)來命名，例如用紅寶石做為介質(zhì)，就產(chǎn)生紅寶石雷射。介質(zhì)可以是固體(紅寶石雷射、釹釔鋁石榴石雷射)，液體(染料雷射)，或氣體(二氧化碳雷射、氦氖雷射、氬離子雷射、準(zhǔn)分子雷射)?；钚越橘|(zhì)不同，發(fā)出來的光顏色也不同，也有不同的特性及應(yīng)用。例如在醫(yī)療上，由於不同顏色的光與人體組織的作用效果不同，在應(yīng)用時也會因病變或部位的不同而需要使用不同的雷射。(二)雷射的應(yīng)用工業(yè)上應(yīng)用雷射來切割金屬材質(zhì)，和做表面處理，如硬化處理，使材料更耐磨，或在金屬材

5、料表面敷以異質(zhì)層(在鋁的表面敷以鐵、鎳、錳或銅，可以將其抗熱度提昇，醫(yī)學(xué)上用雷射來切割組織，氣化腫瘤。來做表面處理，像消除不要的刺青，胎記，痣等，近年來更用雷射來改變角膜表面的曲度，以治療近視。博物館也用雷射來做表面處理，例如用雷射來消除古物或古畫上的發(fā)黴，以及類似的文物修護(hù)。工業(yè)上用雷射來焊接金屬，醫(yī)學(xué)上則用雷射來鎔接血管或神經(jīng)，但是還在嘗試階段，尚未普遍使用。工業(yè)上用雷射來鑽孔，例如：鑽石和奶嘴的穿孔，噴霧器氣閥鑽孔等。醫(yī)學(xué)上也用雷射來鑽孔，例如冠狀動脈狹窄或阻塞的病人常造成心肌梗塞或缺血，可以用雷射在心肌上鑽許多小孔，使心臟內(nèi)的血液經(jīng)由這些小孔來供給心肌。另外在藥物膠囊鑽孔，可以使藥物穩(wěn)

6、定而緩慢的釋放出來，這是雷射鑽孔在醫(yī)療上的另一個應(yīng)用。在超級市場結(jié)帳時的條碼判讀器，演講時使用的雷射指示器，偵測車輛速度的雷射超速偵測器，雷射舞會，節(jié)日慶典的雷射秀，雷射藝術(shù)等等均離不開雷射。(三)雷射的特性 1.它是單色的(單色性) 雷射是單色光，波長一致，而太陽光是混合光，所以可以說雷射光是一種很純的光。醫(yī)學(xué)院雷射醫(yī)學(xué)研究中心擁有的雷射共焦掃描顯微鏡就是用雷射光做為光源，能夠得到更好的解析度，並且能夠在活組織做光學(xué)切面，再利用電腦做影像的立體重組。2.它是筆直，不易散開的(低發(fā)散性) 直徑一公釐的雷射光束，射到一公里外時，直徑大約是10公分，而一般的光源容易散開，光度與距離的平方成反比。雷

7、射的這個特性被用來做為遠(yuǎn)距離的測量，光纖通訊，光束武器，精密加工，節(jié)日慶點(diǎn)的雷射秀，以及工程、環(huán)境、軍事、生物體等的遙測。有一次為社會治安而走的遊行曾經(jīng)用雷射光將認(rèn)錯兩個字投射到總統(tǒng)府的牆上，就是利用雷射的這個特性。摘要： 1911年荷蘭物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把水銀溫度降至4.2K時，水銀的直流電阻消失了。這種物質(zhì)稱為超導(dǎo)體，1993年荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬轉(zhuǎn)入超導(dǎo)態(tài)時，原本穿過金屬的磁力線立即被排斥出去，就叫做Meissner效應(yīng)，顯示超導(dǎo)體具有完全的反磁效應(yīng)。全文： 當(dāng)物質(zhì)處在超高溫、超高壓或超低溫的特別條件下，它的狀態(tài)會起奇怪的變化。1911年荷蘭物理學(xué)家Onnes發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把水銀溫度降至4.2

8、K時，水銀的直流電阻消失了。這種物質(zhì)稱為超導(dǎo)體，1993年荷蘭科學(xué)家Meissner和Ochsenfeld發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬轉(zhuǎn)入超導(dǎo)態(tài)時，原本穿過金屬的磁力線立即被排斥出去，就叫做Meissner效應(yīng)，顯示超導(dǎo)體具有完全的反磁效應(yīng)。磁場能穿透入超導(dǎo)體表面大約只有的深度，而且磁場也存在有一個臨界值。當(dāng)時，物質(zhì)溫度再低也不可能變成超導(dǎo)態(tài)。若在超導(dǎo)體上通以直流電，則此直流電會產(chǎn)生磁場，當(dāng)大於某一臨界值時，它所產(chǎn)生的磁場也會破壞超導(dǎo)性，而使超導(dǎo)性消失。更值得注意的是，如果保持超導(dǎo)體在轉(zhuǎn)變過程中不和外界發(fā)生熱量的交換，即所謂絕熱轉(zhuǎn)變，當(dāng)給處在超導(dǎo)狀態(tài)的物質(zhì)加上的磁場，而使它變回正常態(tài)時，它的溫度將下降，反之，

9、若去掉外磁場，使它絕熱回復(fù)到超導(dǎo)態(tài)時，它的溫度將升高。進(jìn)一步，若我們要加上使超導(dǎo)變回正常態(tài)，且保持恆溫，則超導(dǎo)體將須吸熱，反之則放熱，故可知物質(zhì)由正常導(dǎo)電態(tài)變成超導(dǎo)態(tài)也是一種相變。(注意：超導(dǎo)體在恆溫下轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所吸入的熱不是潛熱，事實(shí)上，以單純的降溫使導(dǎo)體由正常態(tài)變成超導(dǎo)態(tài)，並不需要放出潛熱，宏觀上僅僅是導(dǎo)電性質(zhì)的突變而已。)為了解釋超導(dǎo)現(xiàn)象，Bardeen-Schrieffer-Cooper (BCS)三人在1957年提出一個理論，認(rèn)為這是因?yàn)槲镔|(zhì)在極低溫下，其內(nèi)部的電子會形成Cooper對，而且所有的Cooper對，會作集體運(yùn)動，因此發(fā)生碰撞的機(jī)會很小，電阻係數(shù)因而變得很小很小(可看成

10、近於0)。為何一向以庫侖力相互排斥的電子，在極低溫下卻變成兩兩相耦的Cooper對呢？我們可以如下了解：當(dāng)溫度從室溫下降時，電子由於喪失動能，就一個個往較低的能態(tài)掉，並按Pauli排斥原理排列，從最低能階填起，一直到所有低能階都完全填滿為止，填滿電子的最高能階稱為Fermi (能階)表面，此時所有的電子均落入Fermi sea。此種能態(tài)應(yīng)該是具有最低的能量了。但這種能態(tài)不會是超導(dǎo)態(tài)，因?yàn)閬K無自由電子在Fermi sea之外，因此反而不會有導(dǎo)電性。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示金屬的在T很低很低時，其值接近零(超導(dǎo)態(tài))。因此上述的電子分佈顯然並非超導(dǎo)態(tài)的機(jī)制。使金屬變成超導(dǎo)態(tài)，非得有自由電子被激發(fā)到費(fèi)米能表面外

11、不可。但任一個電子跳到費(fèi)米能表面外面，就會增加動能，兩個電子跳出去，除了增加動能外，又會增加電子與電子間的排斥位能(>0)，反而使能量變高而不穩(wěn)定。但假如跳出去的電子間的作用力不是排斥力而是吸引力(<0)，則此時總能量就會降低。這種在Fermi sea外有兩電子吸引的態(tài)，會反而比全部電子掉到Fermi sea更為穩(wěn)定！而且兩電子手牽著手一起跑，總比一個電子單獨(dú)跑要減少碰撞機(jī)會，使電阻變得更小。若在Fermi sea外所有電子都一起跑，則電子相互間無碰撞就無電阻了！那麼兩電子在什麼情況下才會有吸引力呢？當(dāng)溫度很低時，正離子幾乎都排在晶格的結(jié)點(diǎn)上，不太振動(故由於熱運(yùn)動引起的非彈性散射

12、的機(jī)會小)。當(dāng)一個自由電子在晶格中行進(jìn)時，會把它行進(jìn)路線附近的正電荷稍稍拉向電子，這些正電荷一被拉向電子，就破壞了局部的電平衡，因此會在電子的軌跡附近，造成暫時性的正電區(qū)，而使得另一進(jìn)入這正電區(qū)附近的電子受到吸引而靠近，這彷如兩電子相吸接近一樣。這種相吸須靠晶格振動(phonon)作媒介才能產(chǎn)生，這在常溫下不可能，因常溫下晶格因熱而振動，一下子就會抵消第一個電子進(jìn)入所造成的正電荷集體向內(nèi)吸進(jìn)的行為。而且晶格被吸後也要彈回去再彈回來，這樣才會使晶格的振動持續(xù)一段時間，以便讓第二電子感受到正電荷集體向內(nèi)吸進(jìn)的效應(yīng)。因此，若兩電子的動量相差太大，這種經(jīng)由晶格共振所造成的效果不會顯著，故兩電子之間的吸引力就會很小，甚至?xí)蚨斐膳懦庾饔?因?yàn)榈诙娮舆^來時看到的不是正電區(qū)而是負(fù)電區(qū))。但若兩電子的動量相差很小，甚至為零，則此時聲子(晶格振動)的作用就是吸引的。兩電子的動量相差越小，吸引作用就越強(qiáng)，當(dāng)動量在數(shù)值上相等，自旋也相反時，兩個電子的相吸作用最強(qiáng)，才有可能超過它們之間的庫侖排斥作用，因而出現(xiàn)了淨(jìng)吸引作用，於是這兩個電子對就會束縛在一起，形成了電子對。由於兩個電子動量相等又相反，在運(yùn)動中的總動量又要保持不變，因此當(dāng)通以直流電時，晶格若對其中一個電子產(chǎn)生了散射作用，