光波的二象性

光是一個物理學名詞,其本質是一種處於特定頻段的光子流。光源發出光,是因為光源中電子獲得額外能量。如果能量不足以使其躍遷到更外層的軌道,電子就會進行加速運動,並以波的形式釋放能量。如果躍遷之後剛好填補了所在軌道的空位,從激發態到達穩定態,電子就停止躍遷。否則電子會再次躍遷回之前的軌道,並且以波的形式釋放能量。

研究背景


光
光的研究歷史和力學一樣,在古希臘時代就受到注意,光的反射定律早在歐幾里得時代已經聞名,但在自然科學與宗教分離開之前,人類對於光的本質的理解幾乎再沒有進步,只是停留在對光的傳播、運用等形式上的理解層面。(另,歷史告訴我們,古中國早在戰國初期,墨學創始人墨子便發現了光的反射定律,建立了中國的光學體系。)十七世紀,對這個問題已經開始存在“波動學說”和“粒子學說”兩種聲音。
1925年,法國物理學家德布羅意又提出所有物質都具有波粒二象性的理論,即認為所有的物體都既是波又是粒子,隨後德國著名物理學家普朗克等數位科學家建立了量子物理學說,將人類對物質屬性的理解完全展拓了。綜上所述,光的本質應該認為是“光子”,它具有波粒二相性。但這裡的波的含義並不是如聲波、水波那樣的機械波,而是一種統計意義上的波,也就是說大量光子的行為所體現的波的性質。同時光具有動態質量,根據愛因斯坦質能方程可算出其質量。

光的概念


電子就不動了。否則電子會再次躍遷回之前的軌道,並且以波的形式釋放能量。

光的特徵


光同時具備以下四個重要特徵:
1、在幾何光學中,光以直線傳播。筆直的“光柱”和太陽“光線”都說明了這一點。
2、在波動光學中,光以波的形式傳播。光就像水面上的水波一樣,不同波長的光呈現不同的顏色。
3、光速極快。在真空中為3.0×10⁸m/s,在空氣中的速度要慢些。在折射率更大的介質中,譬如在水中或玻璃中,傳播速度還要慢些。
4、在量子光學中,光的能量是量子化的,構成光的量子(基本微粒),我們稱其為“光量子”,簡稱光子,因此能引起膠片感光乳劑等物質的化學變化。

傳播規律


光在同種介質中沿直線傳播。小孔成像、日食和月食還有影子的形成都證明了這一事實。
撇開光的波動本性,以光的直線傳播為基礎,研究光在介質中的傳播及物體成像規律的學科,稱為幾何光學。在幾何光學中,以一條有箭頭的幾何線代表光的傳播方向,叫做光線。幾何光學把物體看作無數物點的組合(在近似情況下,也可用物點表示物體),由物點發出的光束,看作是無數幾何光線的集合,光線的方向代表光能的傳遞方向。幾何光學中光的傳播規律有三:
(1)光的直線傳播規律已如上述。大地測量也是以此為依據的。
(2)光的獨立傳播規律。兩束光在傳播過程中相遇時互不干擾,仍按各自途徑繼續傳播,當兩束光會聚同一點時,在該點上的光能量是簡單相加的。
(3)光的反射折射定律。光傳播途中遇到兩種不同介質的分界面時,一部分反射,一部分折射。反射光線遵循反射定律,折射光線遵循折射定律。

光的照射


散射
根據科學家的測定,藍色光和紫色光的波長比較短,相當於小波浪;橙色光和紅色光的波長比較長,相當於大波浪。當遇到空氣中障礙物的時候,藍色光和紫色光因為翻不過去那些障礙,便被散射得到處都是,布滿整個天空,就是這樣被散射成了藍色。這是130年前諾貝爾獎獲得者瑞利發現的。當太陽落山時的傍晚,天空不顯現藍色而顯現紅色,正在下落的太陽變成暗紅色,也是一樣的道理。原來在傍晚溫度下降,濕度增加,顆粒物濃度升高,光遇到的更多的微粒,使得陽光中的紫色和藍色的部分看不見了,僅留下一點點顆粒物吸收的橙紅色光線經再次輻射而形成的光線,因而出現紅色或暗紅色。
反射
太陽光在照射地球過程中,一部分輻射被大氣層反射,一部分被陸地、水面等反射,還有一部分被冰雪反射。為什麼地球赤道如此炎熱,而南北兩極如此寒冷?從太陽照射間距離和角度分析,其吸收的熱能不可能相差如此之大。主要是地磁場的作用引起的,由於兩極地磁場磁力線非常密集,說明其磁場比較大,磁力線是直線的,光進入磁場中沿磁力線傳播,難以交叉碰撞,反射非常強烈,產生熱非常少。加上兩極人類活動少,排放的固體顆粒物少,空氣中其他氣體分子少,光輻射氣體、固體或液體進行散射也少,因此,其溫度非常低,最終出現寒極。
吸收
電磁輻射與物質的作用本質是物質吸收光能后發生躍遷。躍遷是指物質吸收光能后自身能量的改變,因這種改變是量子化的,故稱為躍遷。不同波長的光,能量不同,躍遷形式也不同,因此有不同的光譜分析法。

光的效應


光電效應
當紫外線照射到金屬的表面時,金屬內部的自由電子會逸出金屬表面,這種紫外線的光致電子發射構成了紫外線光電效應的一部分。紫外線的光電效應是光能轉換為電能的一種方式。光電效應分為外光電效應、內光電效應和光生伏特效應。紫外線照射能產生光電效應的材料除了金屬、半導體外,還有某些氣體和一些化學物質,人與動植物被照射后也能產生光電效應。
光化學效應
紫外線照射某些物質時能產生光化學反應。波長在200~400納米的紫外線所具有的能量(3~6eV)正是許多物質(化學鍵能也在3~6eV的範圍內)吸收后產生光化學反應所需的能量。尤其是短波紫外線的光子能量較大,對光化學反應特別有效,能直接引起一些物質的化合和分解。
聲光效應
介質中存在彈性應力或應變時,介質的光學性質(折射率)將發生變化,這就是彈光效應。當超聲波在介質中傳播時,由於超聲波是一種彈性波,將引起介質的疏密交替變化,或者說引起彈性形變,由於彈光效應,將導致介質光學性質發生變化,從而影響光在其中的傳播特性。通常把超聲波引起的彈光效應叫聲光效應。

光的應用


光在能源(清潔能源)、電子(電腦、電視、投影儀等)、通信(光纖)、醫療保健(γ光刀、光波房、光波發汗房、X光機)等方面有廣泛的應用。

相關概念


光源
正在發光的物體叫光源,“正在”這個條件必須具備,光源可以是天然的或人造的。物理學上指能發出一定波長範圍的電磁波(包括可見光與紫外線、紅外線、X射線等不可見光)的物體。光源主要可以分為三類。
第一類是熱效應產生的光。太陽光就是很好的例子,因為周圍環境比太陽溫度低,為了達到熱平衡,太陽會一直以電磁波的形式釋放能量,直到周圍的溫度和它一樣。
第二類是原子躍遷發光。熒光燈燈管內壁塗抹的熒光物質被電磁波能量激發而產生光。此外霓虹燈的原理也是一樣。原子發光具有獨自的特徵譜線。科學家經常利用這個原理鑒別元素種類。
第三類是物質內部帶電粒子加速運動時所產生的光。譬如,同步加速器工作時發出的同步輻射光,同時攜帶有強大的能量。另外,原子爐(核反應堆)發出的淡藍色微光(切倫科夫輻射)也屬於這種。
光子
根據量子場論(或者量子電動力學),光子是電磁場量子化之後的直接結果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質,是與分子、原子等實物粒子一樣,有其內在的基本結構(組成粒子)的。而在經典的電動力學理論中,是沒有“光子”這個概念的。量子物理學中,光子是電磁場的微觀組成單元,電磁場是大量光子的累積效應。就如同地球水分分佈是大量水分子的累積效應。
光速
光(電磁波)在真空中的傳播速度。公認值為c=2.99792458×10⁸m/s(或2.99792458×10⁵km/s)(精確值),是最重要的物理常數之一。狹義相對論的基本原理之一是光速不變原理。這與光速定義為一固定值是相一致的。不過迄今還有人仍在檢驗在更高的精確度下,光速究竟是否恆定。
除真空外,光能通過的物質叫做(光)介質。從宏觀上來說,光在介質中傳播的速度小於在真空中傳播的速度。
超光速會成為一個討論題目,源自於相對論中對於局域物體不可超過真空中光速c的推論限制,光速成為許多場合下速率的上限值。在此之前的牛頓力學並未對超光速的速度作出限制。而在相對論中,運動速度和物體的其它性質密切相關,速度低於(真空中)光速的物體如果要加速達到光速,其質量會增長到無窮大因而需要無窮大的能量,而且它所感受到的時間流逝甚至會停止,所以理論上來說達到或超過光速是不可能的(至於光子,那是因為它們永遠處於光速,而不是從低於光速增加到光速)。但也因此使得物理學家(以及普通大眾)對於一些“看似”超光速的物理現象特別感興趣。
物體要到光速需要無限能量,而在平行空間下無法超光速。現已有科學家提出設想:將物體前方的空間壓縮,將物體後方的空間擴大來超過光速。只是需要巨大的能量,現有科技也無法做到。