光 2020

     光的研究历史和力学一样，在古希腊时代就受到注意，光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名，但在自然科学与宗教分离开之前，人类对于光的本质的理解几乎再没有进步，只是停留在对光的传播、运用等形式上的理解层面      （ 另，历史告诉我们，古中国早在战国初期，墨学创始人墨子便发现了光的反射定律，建立了中国的光学体系      ）十七世纪，对这个问题已经开始存在波动学说和粒子学说两种声音      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，随后德国著名物理学家普朗克等数位科学家建立了量子物理学说，将人类对物质属性的理解完全展拓了      综上所述，光的本质应该认为是光子，它具有波粒二象性      但这里的波的含义并不是如声波、水波那样的机械波，而是一种统计意义上的波，也就是说大量光子的行为所体现的波的性质      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      光是一个物理学名词，其本质是一种处于特定频段的光子流      光源发出光，是因为光源中电子获得额外能量      如果能量不足以使其跃迁到更外层的轨道，电子就会进行加速运动，并以波的形式释放能量      如果跃迁之后刚好填补了所在轨道的空位，从激发态到达稳定态，电子就不动了      否则电子会再次跃迁回之前的轨道，并且以波的形式释放能量      光同时具备以下五个重要特征：1 在几何光学中，光以直线传播      笔直的光柱和太阳光线都说明了这一点      2 在波动光学中，光以波的形式传播      光就像水面上的水波一样，不同波长的光呈现不同的颜色      3 光速极快      在真空中为299792458≈3×10⁸m/s，在空气中的速度要慢些      在折射率更大的介质中，譬如在水中或玻璃中，传播速度还要慢些      4 在量子光学中，光的能量是量子化的，构成光的量子（基本微粒），我们称其为光量子，简称光子，因此能引起胶片感光乳剂等物质的化学变化      5 光的偏振 光的偏振现象有别与光的其它性质，人的感觉器官不能感觉偏振的存在      偏振光可分为部分偏振光、线偏振光(平面偏振光)、椭圆偏振光和圆偏振光      光在同种均匀介质中沿直线传播      小孔成像、日食和月食还有影子的形成都证明了这一事实      撇开光的波动本性，以光的直线传播为基础，研究光在介质中的传播及物体成像规律的学科，称为几何光学      在几何光学中，以一条有箭头的几何线代表光的传播方向，叫做光线      几何光学把物体看作无数物点的组合（在近似情况下，也可用物点表示物体），由物点发出的光束，看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传递方向      几何光学中光的传播规律有三：（1）光的直线传播规律已如上述      大地测量也是以此为依据的      （2）光的独立传播规律      两束光在传播过程中相遇时互不干扰，仍按各自途径继续传播，当两束光会聚同一点时，在该点上的光能量是简单相加的      （3）光的反射和折射定律      光传播途中遇到两种不同介质的分界面时，一部分反射，一部分折射      反射光线遵循反射定律，折射光线遵循折射定律      根据科学家的测定，蓝色光和紫色光的波长比较短，相当于小波浪；橙色光和红色光的波长比较长，相当于大波浪      当遇到空气中障碍物的时候，蓝色光和紫色光因为翻不过去那些障碍，便被散射得到处都是，布满整个天空，就是这样被散射成了蓝色      这是130年前诺贝尔奖获得者瑞利发现的      当太阳落山时的傍晚，天空不显现蓝色而显现红色，正在下落的太阳变成暗红色，也是一样的道理      原来在傍晚温度下降，湿度增加，颗粒物浓度升高，光遇到的更多的微粒，使得阳光中的紫色和蓝色的部分看不见了，仅留下一点点颗粒物吸收的橙红色光线经再次辐射而形成的光线，因而出现红色或暗红色      太阳光在照射地球过程中，一部分辐射被大气层反射，一部分被陆地、水面等反射，还有一部分被冰雪反射      为什么地球赤道如此炎热，而南北两极如此寒冷      从太阳照射间距离和角度分析，其吸收的热能不可能相差如此之大      主要是地磁场的作用引起的，由于两极地磁场磁力线非常密集，说明其磁场比较大，磁力线是直线的，光进入磁场中沿磁力线传播，难以交叉碰撞，反射非常强烈，产生热非常少      加上两极人类活动少，排放的固体颗粒物少，空气中其他气体分子少，光辐射气体、固体或液体进行散射也少，因此，其温度非常低，最终出现寒极      电磁辐射与物质的作用本质是物质吸收光能后发生跃迁      跃迁是指物质吸收光能后自身能量的改变，因这种改变是量子化的，故称为跃迁      不同波长的光，能量不同，跃迁形式也不同，因此有不同的光谱分析法      当紫外线照射到金属的表面时，金属内部的自由电子会逸出金属表面，这种紫外线的光致电子发射构成了紫外线光电效应的一部分      紫外线的光电效应是光能转换为电能的一种方式      光电效应分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应      紫外线照射能产生光电效应的材料除了金属、半导体外，还有某些气体和一些化学物质，人与动植物被照射后也能产生光电效应      紫外线照射某些物质时能产生光化学反应      波长在200~400纳米的紫外线所具有的能量（3~6eV）正是许多物质（化学键能也在3~6eV的范围内）吸收后产生光化学反应所需的能量      尤其是短波紫外线的光子能量较大，对光化学反应特别有效，能直接引起一些物质的化合和分解      介质中存在弹性应力或应变时，介质的光学性质（折射率）将发生变化，这就是弹光效应      当超声波在介质中传播时，由于超声波是一种弹性波，将引起介质的疏密交替变化，或者说引起弹性形变，由于弹光效应，将导致介质光学性质发生变化，从而影响光在其中的传播特性      通常把超声波引起的弹光效应叫声光效应      光在能源（清洁能源）、电子（电脑、电视、投影仪等）、通信（光纤）、医疗保健（γ光刀、光波房、光波发汗房、X光机）等方面有广泛的应用      正在发光的物体叫光源，正在这个条件必须具备，光源可以是天然的或人造的      物理学上指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线、X射线等不可见光）的物体      光源主要可以分为三类      第一类是热效应产生的光      太阳光就是很好的例子，因为周围环境比太阳温度低，为了达到热平衡，太阳会一直以电磁波的形式释放能量，直到周围的温度和它一样      第二类是原子跃迁发光      荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光      此外霓虹灯的原理也是一样      原子发光具有独自的特征谱线      科学家经常利用这个原理鉴别元素种类      第三类是物质内部带电粒子加速运动时所产生的光      譬如，同步加速器工作时发出的同步辐射光，同时携带有强大的能量      另外，原子炉（核反应堆）发出的淡蓝色微光（切伦科夫辐射）也属于这种      根据量子场论（或者量子电动力学），光子是电磁场量子化之后的直接结果      光的粒子性揭示了电磁场作为一种物质，是与分子、原子等实物粒子一样，有其内在的基本结构（组成粒子）的      而在经典的电动力学理论中，是没有光子这个概念的      量子物理学中，光子是电磁场的微观组成单元，电磁场是大量光子的累积效应      就如同地球水份分布是大量水分子的累积效应      通常指电磁波（包括光波）在真空中传播的速率，常用c表示      实验测得各种波长的电磁波在真空中的速度是一常数，其值为c=2      99792458×108米/秒      超光速会成为一个讨论题目，源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制，光速成为许多场合下速率的上限值      在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制      而在相对论中，运动速度和物体的其它性质密切相关，速度低于（真空中）光速的物体如果要加速达到光速，其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量，而且它所感受到的时间流逝甚至会停止，所以理论上来说达到或超过光速是不可能的      但这一理论并非神圣不可侵犯，自1955年以来一系列理论与实验研究企图发现超光速现象，多个实验显示超光速是可能的      物体要到光速需要无限能量，而在平行空间下无法超光速      现已有科学家提出设想，将物体前方的空间压缩，将物体后方的空间扩大来超过光速      只是需要巨大的能量，现有科技也无法做到