杏彩体育:光的工作原理

　　前言：作为阳光地球的公民，很难不认为光是理所当然的。在这篇文章中，我们向你致敬，光，因为一个没有光的世界确实会是一个阴暗的地方。

　　光既明显又神秘。我们每天沐浴在的温暖中，用白炽灯和荧光灯驱散黑暗。但究竟什么是光？当阳光穿过布满灰尘的房间时，当暴风雨后出现彩虹时，或者当一杯水中的吸管看起来脱节时，我们会瞥见它的本质。然而，这些一瞥只会引出更多的问题。光是以波、射线还是粒子流的形式传播的？是单一颜色还是多种颜色混合在一起？它有类似声音的频率吗？光的一些常见特性是什么，例如吸收、反射、折射和衍射？

　　你可能认为科学家知道所有的答案，但光继续给他们带来惊喜。我们一直认为光的传播速度比宇宙中其他任何东西都快。然后，1999 年，哈佛大学的研究人员通过一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态，将光束减速到每小时 38 英里（每小时 61 公里）。这几乎比正常情况慢了 1800 万倍！仅仅在几年前，谁也不会想到这样的壮举是可能的，但这就是反复无常的光之道。就在你认为你已经弄清楚的时候，它违背了你的努力，似乎改变了它的本质。

　　尽管如此，我们在理解上已经走了很长一段路。科学史上一些最聪明的人已经将他们强大的智慧集中在这个主题上。爱因斯坦试图想象乘坐一束光会是什么感觉。“如果有人追着一束光跑呢？” 他问。“如果一个人骑在光上呢？……如果一个人跑得足够快，它就不会再变化了吗？”

　　显然，爱因斯坦走在了前面。要了解光的工作原理，我们必须将其置于适当的历史背景中。我们的第一站是古代世界，一些最早的科学家和哲学家在那里思考了这种刺激视觉并使事物可见的神秘物质的真实本质。

　　古希腊人争论光线是从人的眼睛还是从被观察的物体发出。几个世纪以来，我们对光的看法发生了巨大的变化。关于光的第一个真正的理论来自古希腊人。许多这些理论试图将光描述为光线——一条从一点移动到另一点的直线。毕达哥拉斯以直角三角形定理而闻名，他提出视觉是由人眼发出的光线照射到物体上而产生的。伊壁鸠鲁提出了相反的观点：物体产生光线，然后光线到达眼睛。其他希腊哲学家——最著名的是欧几里得和托勒密——使用射线图非常成功地展示了光如何从光滑的表面反弹或在从一种透明介质传递到另一种透明介质时发生弯曲。阿拉伯学者接受了这些想法并进一步磨练了它们，开发了现在称为几何光学的东西——将几何方法应用于透镜、镜子和棱镜的光学。最著名的几何光学实践者是 Ibn al-Haytham，他在公元 965 年至 1039 年间居住在今天的伊拉克。一个人眼中的物体。这位阿拉伯科学家还发明了照相机，发现了折射定律并研究了许多基于光的现象，例如彩虹和日食。到了 17 世纪，一些著名的欧洲科学家开始对光有不同的看法。一位关键人物是荷兰数学家兼天文学家克里斯蒂安惠更斯。1690年，惠更斯发表了他的《光论》，其中描述了波动理论。在这个理论中，他推测存在某种无形的介质——以太——填充物体之间的所有空间。他进一步推测，当发光体在以太中引起一系列波或振动时，就会形成光。然后这些波向前推进，直到遇到一个物体。如果该物体是眼睛，则波会刺激视觉。这是最早、最有说服力的光波理论之一。不是每个人都接受它。艾萨克牛顿就是其中之一。1704 年，牛顿提出了一种不同的看法——将光描述为微粒或粒子。毕竟，光以直线传播并从镜子上反射，就像球从墙上反弹一样。没有人真正见过光粒子，但即使是现在，也很容易解释为什么会这样。这些粒子可能太小或移动得太快而无法被看到，或者我们的眼睛可能会透过它们看到。事实证明，所有这些理论都是对的，也是错的。它们都有助于描述光的某些行为。

　　将光想象成一条光线，可以轻松准确地描述三种众所周知的现象：反射、折射和散射。让我们花一点时间来讨论每一个。在反射中，光线照射到光滑的表面（例如镜子）并反弹。反射光线总是以与入射光线撞击表面的角度相同的角度离开材料表面。在物理学中，您会听到这称为反射定律。您可能听说过这条定律是“入射角等于反射角”。当然，我们生活在一个不完美的世界里，并不是所有的表面都是光滑的。当光线照射到粗糙的表面时，由于表面不平整，入射光线会以各种角度反射。这种散射发生在我们每天遇到的许多物体中。纸的表面就是一个很好的例子。如果你在显微镜下观察它，你会看到它有多粗糙。当光线照射到纸上时，波会向各个方向反射。这就是纸张如此有用的原因——无论您的眼睛从哪个角度观察表面，您都可以阅读印刷页面上的文字。

　　当光线从一种透明介质（比方说是空气）传递到另一种透明介质（水）时，就会发生折射。当这种情况发生时，光会改变速度，光线会向或远离我们所说的法线弯曲，法线是一条与物体表面垂直的假想直线。光波的弯曲量或折射角取决于材料减慢光的程度。如果砖石对入射光的减速作用不比水慢得多，砖石就不会如此闪亮。钻石具有比水更高的折射率，也就是说，那些闪闪发光、昂贵的光阱在更大程度上减慢了光线。镜片，如望远镜或一副眼镜中的镜片，利用了折射。透镜是一块玻璃或其他具有弯曲侧面的透明物质，用于聚集或分散光线。透镜用于在每个边界处折射光。当光线进入透明材料时，它会发生折射。当同一条光线退出时，它再次折射。在这两个边界处折射的净效果是光线改变了方向。我们利用这种效果来纠正一个人的视力或通过使远处的物体看起来更近或小物体看起来更大来增强视力。不幸的是，光线理论无法解释光表现出的所有行为。我们还需要一些其他的解释，比如我们接下来要介绍的那个。

　　与水波不同，光波遵循更复杂的路径，它们不需要介质来传播。在19 世纪开始时，还没有积累真正的证据来证明光的波动理论。1801 年，当英国医生和物理学家托马斯杨设计并运行了科学史上最著名的实验之一时，情况发生了变化。它今天被称为双缝实验，需要简单的设备——一个光源、一张并排开有两个孔的薄卡片和一个屏幕。为了进行实验，托马斯杨让一束光穿过并击中卡片。他推断，如果光线中含有粒子或简单的直线光线，那么没有被不透明卡片阻挡的光线会穿过狭缝并直线传播到屏幕上，在那里它会形成两个亮点。这不是杨观察到的。相反，他在屏幕上看到了明暗交替的条码图案。为了解释这种意想不到的结果，他想象光像水波一样在空间中传播，有波峰和波谷。以这种方式思考，他得出结论，光波穿过每个狭缝，形成两个独立的波前。当这些波前到达屏幕时，它们会相互干扰。在两个波峰重叠并加在一起的地方形成了明亮的带。杨的作品激发了一种关于光的新思维方式。科学家们开始提到光波，并相应地重塑了他们对反射和折射的描述，指出光波仍然遵循反射和折射定律。顺便说一下，光波的弯曲是我们经常遇到的一些视觉现象的原因，例如海市蜃楼。幻影是由引起的光波从朝向接地天空中移动是由被加热的空气弯曲的光学错觉。在 1860 年代，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 在制定电磁学理论时将磁场置于光波模型之上。麦克斯韦将光描述为一种非常特殊的波——一种由电场和磁场组成的波。场振动与波的运动方向成直角，并且彼此成直角。因为光具有电场和磁场，所以它也被称为电磁辐射。电磁辐射不需要介质来传播，并且当它在线 公里）的速度移动。科学家将其称为光速，这是物理学中最重要的数字之一。

　　光波的大小、频率和能量不断变化，称为电磁波谱。一旦麦克斯韦引入了电磁波的概念，一切就都到位了。科学家们现在可以根据波的结构和功能，使用波长和频率等术语和概念来开发一个完整的光工作模型。根据该模型，光波有多种尺寸。波的大小用它的波长来衡量，波长是连续波上任意两个对应点之间的距离，通常是波峰到波峰或波谷到波谷。我们可以看到的光的波长范围从 400 到 700 纳米。但是电磁辐射定义中包含的全部波长范围从 0.1 纳米（如伽马射线）到厘米和米（如无线电波）。光波也有多种频率。频率是任何时间间隔，通常在一秒期间通过在空间中的点的波数。我们以每秒周期（波）或赫兹为单位进行测量。可见光的频率被称为颜色，范围从 430 万亿赫兹（被视为红色）到 750 万亿赫兹（被视为紫色）。同样，整个频率范围超出了可见部分，从不到 30 亿赫兹（如无线）（如伽马射线）。光波中的能量大小与其频率成正比：高频光具有高能量；低频光能量低。因此，伽马射线的能量最大（部分原因是它们对人类如此危险），而无线电波的能量最少。在可见光中，紫色的能量最大，而红色的能量最少。整个频率和能量范围，如附图所示，被称为电磁频谱。请注意，该图并未按比例绘制，可见光仅占光谱的千分之一。

　　太阳能电池板利用光电效应为我们的家庭和企业供电。麦克斯韦对电磁辐射的理论处理，包括对光波的描述，是如此优雅和具有预见性，以至于 1890 年代的许多物理学家认为，关于光及其工作原理没有什么可说的了。然后，在 1900 年 12 月 14 日，马克斯·普朗克（Max Planck）提出了一个极其简单但又奇怪地令人不安的概念：光必须携带离散量的能量。他提出，这些量必须是基本能量增量hf 的单位，其中h是现在称为普朗克常数的通用常数，f是辐射频率。爱因斯坦在 1905 年研究光电效应时推进了普朗克的理论。首先，他首先在金属表面照射紫外线。当他这样做时，他能够检测到从表面发射的电子。这是爱因斯坦的解释：如果光中的能量成束出现，那么人们可以将光视为包含微小的团块或光子。当这些光子撞击金属表面时，它们就像台球一样，将能量传递给电子，而电子会从它的“母”原子中脱离出来。一旦被释放，电子就会沿着金属移动或从金属表面弹出。光的粒子理论又卷土重来了。接下来，尼尔斯·玻尔应用普朗克的思想来改进原子模型。早期的科学家已经证明，原子由带正电的原子核组成，周围环绕着像行星一样环绕的电子，但他们无法解释为什么电子不简单地螺旋进入原子核。1913 年，玻尔提出电子存在于基于其能量的离散轨道中。当一个电子从一个轨道跳到一个较低的轨道时，它会以光子的形式释放能量。光的量子理论——即光以微小的包或粒子（称为光子）的形式存在的想法——慢慢开始出现。我们对物理世界的理解将不再相同。

　　起初，物理学家不愿意接受光的双重性质。毕竟，我们人类中的许多人都喜欢有一个正确的答案。但爱因斯坦在 1905 年的工作为我们接受波粒二象性铺平了道路。我们已经讨论过光电效应，爱因斯坦将光描述为光子。然而，那年晚些时候，他在一篇介绍狭义相对论的论文中为这个故事添加了一个转折点。在这篇论文中，爱因斯坦将光视为一个连续的波场——这与他将光描述为粒子流的描述明显矛盾。但这也是他天才的一部分。他心甘情愿地接受了光的奇异性质，并选择了最能解决他试图解决的问题的属性。今天，物理学家接受了光的双重性质。在这种现代观点中，他们将光定义为作为电磁波在空间中传播的一个或多个光子的集合。这个定义结合了光的波和粒子的性质，可以这样重新思考托马斯杨的双缝实验：光作为电磁波远离源传播。当它遇到狭缝时，它穿过并分成两个波前。这些波前重叠并接近屏幕。然而，在撞击的那一刻，整个波场消失了，一个光子出现了。量子物理学家经常通过说展开的波“坍缩”成一个小点来描述这一点。同样，光子使我们有可能看到我们周围的世界。在完全黑暗的情况下，我们的眼睛实际上能够感知单个光子，但通常我们在日常生活中看到的都是由光源产生并从物体反射的无数光子的形式。如果你现在环顾四周，房间里可能有一个光源产生光子，房间里的物体会反射这些光子。你的眼睛吸收了一些流经房间的光子，这就是你看到的。可是等等。是什么让光源产生光子？我们会做到这一点。下一个。

　　产生光子的方法有很多种，但它们都在原子内部使用相同的机制来实现。这种机制涉及激励围绕每个原子核运行的电子。核辐射的工作原理详细描述了质子、中子和电子。例。