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October 21, 2021

光是在人眼可见的频率范围内的电磁辐射。频率稍低的不可见红外线和频率稍高的紫外线有时被错误地称为红外线和紫外线。特定频率的光的波长取决于介质。通常波形弹簧是在真空或空气中提供的,因为这是大多数应用程序发生的地方。在真空和空气中,可见光谱的波长范围从大约 380 nm(纳米)(紫色)到 780 nm(红色)。在真空中,与所有电磁辐射一样,光以光速传播。在量子光学中发挥作用的光量子称为光子。描述光的三个变量,是光强度(或振幅)、颜色(频率或波长)和偏振或振动方向,它总是垂直于传播方向。研究光和光与物质相互作用的领域被称为光学。

粒子或波

在 17 世纪,克里斯蒂安·惠更斯 (Christiaan Huygens) 是第一个声称光是一种波动现象的人。这得到了在光、干涉和弯曲中观察到的现象的支持。这与艾萨克·牛顿 (Isaac Newton) 相矛盾,他认为光是由快速粒子流组成的。这引发了一场激烈的争论,最初的结果是支持粒子理论。在 19 世纪,由于 Thomas Young、Augustin Jean Fresnel 和 Heinrich Hertz 的实验工作以及 Lorentz 的理论工作,人们清楚地认识到光是特定波长范围内的电磁波现象。光的行为可以通过求解构成所有电磁现象基础的麦克斯韦方程组来解释。随着量子力学的出现(20 世纪初),光的粒子特性仍然被确立。这最终导致了量子电动力学的发展,量子电动力学描述和预测了带电粒子之间的所有相互作用,以及完全且非常准确的光子交换。它是麦克斯韦方程的相对论版本与量子力学的综合。

光的起源

如果原子被加热到足够高,或者以其他方式被激发,最外层的电子可以达到更高或激发的能级。当电子返回到较低能级时,释放的能量以光子的形式发射。光子的这种能量决定了频率,从而决定了波长,进而决定了光的颜色。

光速与传播方向

在各向同性介质中,光速在所有传播方向上都是相等的。根据定义,光在真空中以每秒 299 792 458 米的速度传播。在水、空气或玻璃等介质中,速度较低。这是由于光波的电矢量与构成介质的原子周围的电子云之间的相互作用。真空中的光速与介质中的光速之比就是该介质的折射率。在狭义相对论中,假设真空中的光速是一个物理常数,它甚至不依赖于观察者相对于光源的运动状态,正如在 1905 年提出该理论之前所假设的那样.

折射(折射)

当光穿过透明介质(如空气、水或玻璃)时,相对于真空的传播速度会因称为折射率的因素而减慢。折射率定义为真空中的光速与介质中的光速之比: ncvf , {\displaystyle n{\frac {c}{v_{f}}},} 其中 n {\displaystyle n}是折射率,c {\displaystyle c} 是真空中的光速,而 v f {\displaystyle v_{f}} 是介质中的相速度。当折射率发生变化时,例如在空气和水之间的界面处,当光倾斜入射时,除了传播速度之外,波的传播方向也会发生变化。这种现象称为折射或折射,可以使用斯涅耳定律来描述和计算。由于速度等于波长乘以频率,这给出了真空和物质中波长的比率。除了传播速度之外,波的传播方向也会发生变化——光斜入射。这种现象称为折射或折射,可以使用斯涅耳定律来描述和计算。由于速度等于波长乘以频率,这给出了真空和物质中波长的比率。除了传播速度之外,波的传播方向也会发生变化——光斜入射。这种现象称为折射或折射,可以使用斯涅耳定律来描述和计算。由于速度等于波长乘以频率,这给出了真空和物质中波长的比率。

在各向异性介质中断裂

在各向异性介质中,光速根据电磁波的横向电场强度矢量与结晶介质的光轴(最多可以有两个光轴)之间的角度而变化。这最容易通过双折射现象来确定。一束白光即使在垂直入射时也会分裂成两束白光(所以不要与色散混淆,它只会在倾斜入射时分裂成不同颜色的光束)。

反射(反射)

当与法线成一定入射角的光照射到具有不同折射率的两种介质之间的表面时,它可以部分或全部反射,与法线成相同角度。根据上述折射定律,可选的非反射部分继续穿过第二介质。如果入射角大于布鲁斯特角,则所有入射辐射都会被反射。

弯曲(衍射)

当光穿过尺寸与波长相同数量级的开口时,没有一种特定的光线或光束直接穿过该开口,而是像水波一样偏转部分光束。这可以通过经典波形实验变得可见。当光波被介质(液滴、粒子甚至分子)中的微小不规则性干扰时,这种效应称为散射。在此区分大于、大致相同或小于波长的障碍物。双缝实验是基于光通过以波长数量级间隔开的两个缝的衍射。产生了暗带的干涉图案,展示了光的波动性。现代考虑将实验视为光子波函数的干涉。该实验也可以在光子后进行,结果相同,这意味着单个光子会干扰自身。

亮度

光的强度称为发光强度;光强的单位是坎德拉(缩写为cd)。在 SI 单位中,它对应于每球面度 1/683 瓦。颜色感知的最小光强度约为 3 cd/m2。地球从太阳接收大约 2 000 000 000 cd/m2(这称为太阳常数),从(满月)月亮接收大约 2500 cd/m2。

光谱

光是电磁辐射。光波的频率是总频谱的一部分。通常光谱的划分是根据波长完成的,这意味着真空中的波长,因为波长取决于介质。使用频率有时具有不依赖于介质的优点。然而,在描述特定介质中的衍射、干涉和散射时,该介质中的波长是最相关的量。由所有相同波长/频率的光波组成的光称为单色光。人们看到的颜色就是属于那个频率的颜色。在自然界中,通常会出现多色光,它由具有不同波长的波组成。即使那时眼睛只能看到一种颜色,这是不同单色的“总和”。如果光谱可见部分的所有波长或多或少都相同,我们就会看到白色。互补色光波的组合也将被视为白色。有些颜色,例如棕色,只能由不同波长的组合形成。

光的偏振

光很少由仅在一个平面内振动的波组成。极化定义为电场的振动方向(磁场总是垂直于此,因此可以忽略)。电矢量可以描述围绕传播方向的螺旋线。电矢量可以分解为两个垂直分量。这种分解是任意的:对于光学异构分析,线偏振光被分解为两个圆形分量,在光学中,圆或椭圆偏振光被分解为两个线性分量。

光源

太阳是主要的自然光源。光也可以人工产生,传统上使用火,但自 19 世纪以来也使用白炽灯;后来开发了其他类型,如气体放电灯、硫等离子灯和 LED(发光二极管)。激光是一种既相干又单色的人造光源,自 1960 年以来一直在开发。在电信领域,光纤用于通过发送激光产生的光信号来快速发送大量数字化信息。由于玻璃不可避免的色散,非单色光会将携带信息的信号传播到更长的距离。消费者的另一个重要应用是 CD 和 DVD 播放器。然而,激光在许多技术科学研究中也发挥着重要作用。例如,脉冲激光是原子和分子物理学中不可或缺的研究工具。

另见

色度计摩擦电效应