中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光的力学效应-系列实验李银妹2006年.1月.10日中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光的力学效应？光有力量吗？光子与物体的相互作用中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光携带有能量和动量（线性动量和角动量）,光与物体 相互作用时彼此交换能量和动量.光子能量： 光子动量： 光与人类生活的关系非常密切，伴随科学的发展和人 类文明的进步，人们对光的认识也越来越深入. -光的动量是光的基本属性之一中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光的效应:在光的作用下，物体宏观上产生的各种现象光的热学效应:光与物体相互作用时物体的温度发生变化.常见现象光的力学效应: 光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力 或力矩,物体发生位移,速度和角度的变化. 难以察觉(光电效应,磁光效应,光化学效应, )光与物质相互作用光的效应 中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 一. 光的力学效应历史与未来1. 光-动量-光压-力2. 普通光和激光的力学效应3. 激光的力学效应 (微观,界观,宏观)4.光镊-光的力学效应的典型 二. 光镊技术 1. 原理-单光束梯度力光阱2. 特点和功能3. 应用列举 三.创建光的力学效应系列实验的意义1. 线性动量2. 角动量 四.光的线性动量实验 1. 实验预习和基础2. 实验内容 五.结束语本讲 光的力学效应 主要内容安排:中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 1616年开普勒-提出光压的概念从光的粒子性观念出发- 具有一定动量的光子入射到物体上时无论是被吸 收或反射，光子的动量都会发生变化，因而必然会有 力作用在物体上，这种作用力我们通常称为光压。光-动量- 光压-力一. 光的力学效应历史与未来中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 历史上，康普顿效应是光子学说的重要实验 依据，也是光子具有动量的直接证明。 典型的例子有X光的康普顿散射。1923年美国物理学家康普顿在研究X射线光子 与自由电子之间的弹性碰撞，解释了实验观察到 的各种现象。在这一弹性碰撞过程中，光子与电 子相互作用，不仅要遵循能量守恒定律，而且要 遵循动量守恒定律。光子具有动量，这在一些研究物质微观过程中 起着重要的作用。康普顿效应中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 单个光子动量很小: 烈日:1达因/平方米是标准大气压的亿万分之一 普通光源的力学效应微乎其微！光子密度低，方向性差！实验观测和测量极其困难！ 为什么我们感受不到光的压力？普通光源中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 -高的光子流密度的激光束 方向性好，高亮度光的力学效应能够得到充分展示10mw的 He-Ne 激光，亮度是太阳的一万倍！会聚光束的焦点处 1 微米小球受到的力可达10-6牛顿。光的力学效应研究进入了一个全新的时代！1960年激光问世：中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 1 光与微观粒子的相互作用-原子/分子2 光与微小宏观粒子的相互作用-纳米/微米粒子3 光与宏观物体的相互作用-核聚变/发射微小卫星光的力学效应的应用：中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 原子的激光冷却和捕陷-1997年 诺贝尔物理学奖S. 朱棣文 C,C,达诺基 W,D,菲利浦斯 玻色爱因斯坦凝聚的研究-2001年 诺贝尔物理学奖C.E.维曼 E.A.康奈尔 W.克特勒 1.光与微观粒子的相互作用中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 世界上最大的功率和能量密度： 激光输出脉冲功率已经超过1016w ; 聚焦强度达 81013/cm2 ;可产生亿度以上的高温, 能焊接、 加工和 切割最难熔的材料光压-世界上最高的压强： 相应的电场强度可达 1021w/cm2 ;相应的光压时达 31011 大气压2.光的宏观力学效应中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光 镊 -单光束梯度力光阱1986 A. Ashkin 使用高度会聚光束产生的非均匀光场，造成梯度力势阱光镊诞生了！3.光与微小的宏观粒子的相互作用中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊 - Optical tweezers用光做的镊子？光镊如何抓取物体 ？光镊力有多大？光镊的力学效应的应用？光镊是什么？中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 烟草细胞在光镊的操控下定向运动二. 光镊技术1 原理2 特点3 功能4 应用中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 均匀光场 非均匀光场几何光学模型光镊的原理中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 单光束梯度力光场 梯度力光阱原理nn1-小球/液体的折射率一对典型的光线a和b经 折射后产生力Fa和Fb， 其矢量和F是指向焦点f 处当小球的球心O和焦点f 间 有偏离时，Fa和Fb的合力F 总是使小球趋向焦点f处，力F是回复力. 只有光场的梯度大到能保证 焦点附近的梯度力大于散射 力时才能形成一个三维光学 势阱而稳定地捕获微粒. 中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊操控1微米粒子三维空间 X-Y平面 Z纵方向 悬浮微粒 中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊操控微粒的现象 尤如宇宙黑洞或吸尘器 将微粒吸入无底的深渊。阱域、阱深和阱力对于微小的粒子/细胞,几十纳米-几十微米，光的力学效应 还是非常大的。可以明显看到光阱周边的粒子以很快的速 度/加速度坠入阱中被囚禁，操控的速度相当的快。光镊 光陷阱- 中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊基本操控方法直接操控-微米 间接操控-纳米 中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊操纵微粒的尺度：纳米-微米1nm 1m 1mm1nm 1m 1mm原子、分子尺度ATM STM纳微尺度 光镊宏观物体 一般机械中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 fN（10-15）-pN（10-12）1 fN/人 X60亿 - 1根发丝-细胞，单分子间的相互作用力 传递微小力的使者 -微小力的探针！ 光镊力有多大 ？中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊-一种特殊的光场形成的光势阱,它是用光形成的镊子!光镊具有机械镊子抓取物体的功能,是类比机械镊子形象的称呼光镊/光学镊子/光学势阱/ 单光学梯度力势阱中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 研究个体行为的工具！应用都是基于对单个微粒的捕获与操控。 自然界，一切宏观现象都是大量个体行为的群体效应，因此，解释宏观自然现象就需要获取单个微粒个体行为信息。能够实施对单个微粒的操控正是研究个体行为的首要条件。 光镊的特点中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 对单个活体生物以非接触的遥控方式，实施无损无菌操控；实时动态跟踪、进行微小力的测量。生命科学家可以挑选所需要的特定活细胞来观察它的个体行为，研究特定的细胞间相互作用的基本过程。光镊提供了对生命活动的基本过程的研究所具有的高度选择性是传统研究方法不可比拟的。光镊的特点中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光具有的穿透特性，使得光镊有隔墙取物之功能。即光镊可以无阻挡越过屏障，穿过透明封闭系统的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控池内微粒，实现真正的无菌操作。 机械镊子望尘莫及！光镊的特点中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊操控的可视性。光镊使细胞悬浮于液体中所指定的位置，其四周没有遮挡，完全暴露在我们视野中，研究者提供了极大的方便。 光镊系统实时显示，完整保留活体细胞和大分子生命活动，能反应体系作用过程的特性是其它方法所不具备的。 光镊系统的特点中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊是微小力的探针，类似弹簧。光镊能够操控粒子，实际上是光镊向微粒施加了作用力。 光镊能实时感应微小的负荷(fN)，是极其灵敏的力传感器。光镊是揭示生命过程中物质输运、能量转换和信息传递规律的研究工具。 光镊的特点?中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 # 生命科学-操控，动力学研究解读生命运动规律 # 微纳器件-操控，排布，组装，表征新材料和功能器件制造 # 分散体系-微粒间相互作用宏观现象的微观机理探索 # 光力学教学线性动量，角动量认知光的基本属性光镊的应用:中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 运动-位移/速度， -力，大小/方向，-结合/分离-相互作用特性-结构和功能力学量是表征生命过程的重要参量！ 单分子水平上探索生命运动的规律！生命过程运动力光镊应用生物大分子的动力学研究中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 国际前沿发展趋势 光镊技术更多的是用于研究生物大分子 十几年来已突破了许多“禁区”人类首次实际测量到由化学能转变成机械 能的原动力肌肉运动的原始动力过程-驱动蛋白分子吸收一个ATP能量后的分布 运动状态，运动步长为8纳米。 中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 国际研究成果举例Nature 生物大分子 精细操作 双光镊对肌动蛋白 进行打结.Science 光镊控制粘有肌动蛋白的小球接 触