| 词条 | 光 |
| 释义 | § 释义 光波 光：拼音：guāng：会意：甲骨文字形，“从火，在人上”。本义：光芒，光亮 历史记载 ❤光，明也。――《说文》；光,晃也，晃晃然也。亦言广也，所照广远也。――《释名·释天》；与日月兮齐光。――《楚辞·九歌·云中君》；能游冥冥者与日月同光。――《淮南子·俶真》； ❤日月淑清而扬光。――《淮南子·本经》；国之光。――《易·观》；夜未央，庭燎之光。――《诗·小雅·庭燎》；推此志也，虽与日月争光可也。――《史记·屈原列传》；光远而自他有耀者也。――《左传·庄公二十二年》； ❤光明之耀也。――《国语·晋语》；容光必照焉。――《孟子》；山有小口，仿佛若有光。――晋·陶渊明《桃花源记》；有红光一缕起土桥，直射城西。――清·邵长蘅《阎典史传》。 § 概念 在经典物理学上，粒子理论认为光是由一个个独立的光子构成的。到十七世纪晚期Christian Huygens（惠更斯）提出了波动理论，认为光是一种特殊的波而不是粒子集合。1807年Thomas Young又用光的衍射行为进一步证实了这一理论。可就在人们决定接受新的波动理论的同时，却不知如何去解释用粒子理论很好理解的光的镜面反射行为。 1905年爱因斯坦提出了著名的光电效应，认为紫外线在照射物体表面时，会将能量传给表面电子，使之摆脱原子核的束缚，从表面释放出来，因此爱因斯坦将光解释成为一种能量的集合——光子。后人又将这一理论进一步深化，创建了量子物理，认为一切物质都具有波粒二相性，只是二者所占比例不同，所以光既是一种波，同时又是由一个个光子所构成。但光作为一种独特物质，它的波动性还是占主要方面。 人们遇到光的另一种方式是借助于产生光的设备，包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫和太阳。每种设备都用不同的技术产生光子。 [1] [2] § 研究历史 微粒说 英国物理学家托马斯·杨用干涉实验证明了光的波动性 1638年，法国数学家皮埃尔·伽森荻提出物体是由大量坚硬粒子组成的。并在1660年出版的他所著的书中涉及到了他对于光的观点，也认为光也是由大量坚硬粒子组成的。牛顿随后对于伽森荻的这种观点进行研究，他根据光的直线传播规律、光的偏振现象，最终于1675年提出假设，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。 微粒说很容易解释光的直进性和反射现象，因为粒子与光滑平面发生碰撞的反射定律与光的反射定律相同。然而微粒说在解释一束光射到两种介质分界面处会同时反射和折射，以及几束光交叉相遇后彼此毫不妨碍的继续向前传播等现象时，却发生了很大困难。 波动说 罗伯特·胡克在1685年发表的《显微术》一书中，认为光是一种振动，发光体的每一振动在介质中向各个方向传播。胡克初步建立了波面和波线的概念，并把波面的思想用于对光的折射和薄膜颜色的研究。惠更斯著《论光》更明确地提出了光是一种波动的主张，他认为光是一种介质的运动，该运动从介质的一部分以有限速度依次地向其他部分传播，他把光的传播方式与声音在空气中的传播作比较。 英国物理学家托马斯·杨（1773年 – 1829年用干涉实验证明了光的波动性由于牛顿在学术界有很高的声望，致使微粒说在其后的100多年里一直占着主导地位，而波动说却发展得很慢。同时，如果要证明光具有波动性，必须设法显示出光具有干涉现象，而干涉现象的产生必须得到两列相干光，然而要得到两列相干光在当时是很困难的。直到1801年英国物理学家托马斯·杨终于用干涉实验证明了光的波动性。 电磁说 到19世纪中期，光的波动性已经得到公认，然而当时人们只了解在介质中传播的机械波，认为光波也是一种机械波。而任何机械波的传播都依靠介质，光却能在真空中传播。从太阳和其他恒星所发出的光，是通过什么介质传播过来的呢？ 为了说明光传播的这个问题，人们便假设在宇宙空间中到处充满着一种特殊的物质，这种物质被称作以太，光便是通过“以太”来进行传播。为了解释光波的各种性质，对于“以太”这个概念又进一步提出了种种假设。譬如，“以太”的密度极小，却具有较大的弹性等。由于对“以太”性质种种假设间存在明显的矛盾，人们很难相信存在这种物质。而为证明“以太”存在的各种实验也都以失败而告终。 1846年，法拉第发现在磁场的作用下，偏振光的振动面会发生改变。这一重要的发现，表明光和电磁现象间存在着某种联系，同时将人们的目光转移到了电磁现象来考虑。19世纪60年代，麦克斯韦在研究电磁场理论时预见了电磁波的存在。同时指出电磁波是一种横波，电磁波的传播速度等于光速。麦克斯韦通过电磁波与光波的相似性质，提出假设，认为光波是一种电磁波。 光子说 光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步。但是，还是在赫兹用实验证实光的电磁说的时候，就已经发现了光电效应这一现象，而这一发现也使光的电磁说遇到了无法克服的困难。1905年爱因斯坦提出光量子论，运用光子的概念解释了光电效应。[2][1][3] § 频率 光波的频率 光波也有多种频率。频率是指任意时间间隔内（通常为一秒钟）通过空间中某一点的波数。它的计量单位是周（波）/秒，或赫兹（Hz）。可见光的频率称为颜色，范围是430万亿Hz（红色）到750万亿Hz（紫罗兰色）。当然，频率的总范围超出可见光谱之外，从不足十亿Hz的无线电波到超过30亿Hz的伽马射线。 光波的能量大小与其频率成一定比例：高频光的能量较高，低频光的能量较低。因此，伽马射线的能量最高，无线电波的能量最低。在可见光中，紫光能量最大，而红光能量最小。 光不仅振动频率不同，传播速度也不同。光波在真空中的传播速度最快，为30万公里/秒，这让光成为宇宙中最快的现象。光波在物质内传播时速度会下降，如空气、水、玻璃或钻石。由此可见，光波以连续的各种尺寸、频率和能量出现。 § 产生 光的颜色 任何可见光都是由以电磁波形式在空间传播的一个或多个光子汇聚而成。即便处于漆黑之中，人眼其实也能感触单个光子，但一般来说，人类在日常生活中看到的都是光源产生的无数光子从物体上反射而成的。如果现在环视四周，您可能就会发现，室内有产生光子的光源，而室内的物体则会反射这些光子。人眼会吸收室内流动的一些光子，这样您就看见了物体。 有很多种不同的方式可以产生光子，但所有这些方式都是利用原子内的相同机制来达到目的，这种机制涉及激发围绕每个原子核运转的电子。核辐射揭秘较为详细地介绍了质子、中子和电子。例如，氢原子就有1个电子绕核子运转，氦原子有2个电子绕核子运转，铝原子有13个电子绕核子运转。每个原子中绕核子运转的电子都有一定的数量。 电子以固定轨道绕核子环行，以一种简化的方式想，就和卫星绕地球运转一样。每个电子都占据一个自然轨道，但如果激发原子，就能将其电子移至更高的轨道。每当电子从更高的轨道返回正常轨道时，就会产生光子。在从高能量返回正常能量的过程中，电子会散发具有特殊特征的光子，即一个能量包。光子的频率或颜色与电子返回的距离完全一致。[2] § 形成方式 加热可能是激发原子的方法中最常见的一种，同时也是白热光的基础。如果用喷灯加热马蹄铁，它最终会变为红热，如果加热程度足够，还会变为白热。红色是能量最低的可见光，因此在红热物体中，原子获得的能量仅够开始散发人们能看见的光。 在人们看到的光形成方式中，加热是最普遍的一种——普通的75瓦白炽灯泡就是用电力加热，从而产生光。但也有其他很多方式可以形成光，下面就列出了一些： 卤素灯——卤素灯用电产生热量，同时借助于一种能让灯丝变热的技术。 燃气灯——燃气灯用天然气或煤油等燃料作为热源。 荧光灯——荧光灯用电直接激发原子，而不需要热量。 激光器——激光器用能量为激光介质“充能”，而所有被激发的原子又以完全相同的波长和相位转出它们的能量。 夜光玩具——夜光玩具里的电子会受到激发，但较长时间后又返回低能级轨道，因此玩具能发光半小时。 Indiglo手表——Indiglo手表通过电压激发磷原子。 化学荧光棒——就这方面而言，化学荧光棒和萤火虫都是用化学反应来激发原子的。 § 颜色 相加色 你可以用三支手电筒和红、绿、蓝（通常称为三原色）三种不同颜色的玻璃纸做相似的实验。用一到两层红色玻璃纸蒙住一支手电筒，然后用橡胶带固定玻璃纸（不要用太多层玻璃纸，否则会阻挡手电筒发出的光）。用蓝色玻璃纸蒙住另一支手电筒，再用绿色玻璃纸蒙住第三支手电筒。走进黑暗的房间，打开手电筒并照向一面墙上，以便光束重合。在红光和蓝光重合之处，会看到绛红色。在红光和绿光重合之处，会看到黄色。在绿光和蓝光重合之处，会看到蓝绿色。您将发现，有多种颜色组合能形成白光，如黄与蓝、绛红与绿、蓝绿与红，以及所有颜色相混合。 相减色 另一种制作颜色的方法是吸收某些光频，从而将它们从白光组合中去除。吸收掉的颜色将不能看到，您只会看到反弹回眼睛的颜色，这就是颜料和染料的显色原理。颜料或染料分子会吸收特定的频率，并将其他频率反弹或反射回眼睛，反射的频率（一个或多个）就是您看到的物体颜色。例如，绿色植物的叶子中包含一种名叫叶绿素的色素，会吸收光谱中的蓝色和红色，并反射绿色。 § 特性 吸收 光的反射 发生吸收时，入射光波的频率与材料中电子的振动频率相同或相近。电子吸收光波的能量，然后开始振动。接下来会发生什么则取决于原子吸附电子的紧密程度。电子被紧密把持时就会开始吸收，并将振动传递给原子中的核子。这会让原子加速，与材料中的其他原子相碰撞，然后以热量形式释放从振动中获取的能量。 吸收光线让物体在入射波的频率下显得颜色较暗或不透明。可见光无法穿透木材，有些材料不能让某些光频穿透，但能让其他光频穿透。紫外光无法穿透玻璃，但可见光则能穿透。 反射 大多数金属里的电子都把持松散，可以自由地四处移动，因此这些金属能反射可见光，从而看上去金光闪闪。玻璃中的电子有一定的自由度，但不如金属中的电子自由。因此玻璃也能反射光，看上去也有光泽，只是程度不及金属。反射波离开材料表面的角度通常与入射波碰触材料表面的角度相等，这在物理学中称为反射定律。 散射 光的折射 光的散射只是粗糙表面上发生的反射。由于表面粗糙不平，入射光波会向各个角度反射，纸张表面就是一个典型范例。如果在显微镜下看，就会发现纸张表面非常粗糙。当光碰到纸张时，光波会向各个方向反射。正因如此，纸张才格外有用：无论以何种角度，人眼都能看到打印纸张上的文字。 折射 入射光波的能量与材料中电子的自然振动频率一致时，就会发生折射。光波深深穿透材料，导致电子产生小幅振动。电子将这些振动传递给材料中的原子，并发出与入射波频率相同的光波，但这些都需要时间。在材料内的光波部分减速时，物体外的光波部分还保持着原有频率，于是就产生了这样的效果：物体内的光波部分弯向法线——法线是一条人为虚构的直线，垂直伸向物体表面。与尚未进入物体的光相比，物体内的光偏离法线的角度更小。 光波的弯曲量（或折射角）取决于材料减缓光速的程度。钻石减缓光速的程度远远超过某些物质（例如水），否则它也不会如此闪亮。钻石的折射率大于水，这就是说钻石减缓光速的程度更大。[4] § 应用 能源（清洁能源）、电子（电脑、电视、投影仪等）、通信（光纤）、医疗保健（伽马刀、B超仪、光波房、光波发汗房、X光机）等。 § 给光打结 科学家利用一个电脑控制的全息图和理论物理学，把一束光转变成像椒盐卷饼的形状。 据《生命科学》杂志报道，光跟鞋带和电线一样，也可以扭曲、打结。现在科学家利用一个电脑控制的全息图和理论物理学，把一束光转变成像椒盐卷饼的形状。 研究人员表示，这种扭曲的工艺不仅导致一些非常美丽的图案的产生，这一结果对未来的激光装置研制也会产生重大影响。 英格兰布里斯托尔大学的首席研究人员马克·丹尼斯说：“在太空中穿行的光束就像在河流中流淌的水。”虽然激光指挥棒等物体发出的光都是沿直线运行，但是它也能呈螺旋方式运行。这种旋转的光被称作光旋涡(optical vortices)。光沿着螺旋路线运行，最终达到奇点，也就是没有了光。 丹尼斯说：“我们周围的光充满了这种黑线，只是我们看不到它们。我们的工作就是弯曲这些黑色结构，使光束打结。”研究人员知道，可以通过全息图制成光学旋涡。全息图对光的流向起到引导作用。通过利用所谓的纤维纽结理论(fibered knot theory)，丹尼斯和同事们制成了全息图，并通过反射作用，让常规激光束远离它。纤维纽结理论是在日常打结的启发下，出现的一种抽象数学分支。 这种扭曲的工艺不仅导致一些非常美丽的图案的产生，这一结果对未来的激光装置研制也会产生重大影响。 这种扭曲的工艺不仅导致一些非常美丽的图案的产生，这一结果对未来的激光装置研制也会产生重大影响。 丹尼斯说：“全息图就像一根引入光的纤维，跟教堂里的彩色玻璃窗非常相似。经过一面彩色玻璃窗后，光会出现窗户的彩色图案。”不过它们之间也存在差异，丹尼斯说：“彩色玻璃窗控制颜色，全息图控制光波的状态。”因此全息图上的每个点，就像窗玻璃上的每一个小格子，改变部分光束上的光波周期里的每一个点。他们制成的全息图可以改变光的状态，让它沿着黑色结点运行。 接下来，该科研组通过激光场严密监视照相机，以便拍到光打结的图片。他们的研究成果发表在1月17日的《自然—物理学》杂志上。它是有关这方面的第一项有力证据。虽然所谓的结点理论对类似于黑色结点的数学问题进行了研究，但是这项最新研究通过遵循光传播规律的数学函数，制成这些结点。另外，跟制成的与其他结点纽结在一起的黑色结点不一样，丹尼斯和他的同事们在光束里生成单一黑色结点。 丹尼斯说：“对我们来说，它显示了物理学家是如何适应现有纯数学的(例如结点理论)，并在自然现象里发现它的。它还显示了我们可以利用全息图控制激光流和激光传播。这种控制手段有可能会被应用在未来的激光装置上。”丹尼斯表示，对那些想制出自己的结点的人，拥有全息图和一束激光就能梦想成真。 § 光对生命的影响 （一）光的构成及其生态意义 光是由电磁波组成的，包括红外光、紫外光、可见光.其中可见光的波长在380～760nm之间；波长小于380nm的是紫外光，波长大于760nm的是红外光。在全部太阳辐射中，红外光约占50％～60％，紫外光约占1％，其余的是可见光。由于波长越长，增热效应越大，所以红外光可以产生大量的热。紫外光对生物和人有杀伤和致癌的作用，但它在穿过大气层时大部分将被臭氧层中的臭氧吸收。可见光具有最大的生态学意义，因为只有可见光才能在光合作用中被植物利用。在可见光谱中，波长为760～620nm的红光和波长为490～435nm的蓝光对光合作用最为重要。 （二）光照强度的变化对生物的影响 1.光在水中的穿透性限制着植物在海洋中的分布。 只有在海洋表层的透光带内，植物的光合作用量才能大于呼吸。在透光带的下部，植物的光合作用量刚好与植物的呼吸消耗相平衡之处就是所谓的补偿点。如果海洋中的浮游藻类沉降到补偿点以下而又不能很快回升到表层时，这些藻类更会死亡。生活在开阔大洋和沿岸透光带中的植物主要是单细胞的浮游植物。以浮游植物为食物的浮游动物也分布在这里。但是，动物的分布并不局限于水体的上层，甚至在几千米以下的深海中也生活着各种各样的动物，这些动物靠海洋表层生物死亡后沉降下来的残体为主。 2.光照强度是影响植物生产和呼吸这两个过程平衡的主要因素。 光合作用将随光照强度的增加而增加，直至达到最大值。光合作用率和呼吸作用率两条线的交叉点就是所谓的光补偿点，在此处的光照强度是植物开始生长和进行净生产所需要的最小光照强度。各种植物对光的需要量即对光照强度的适应范围是不同的，有些植物喜欢生长在阳光充足的空旷地方或森林中的最上层，而有些植物只有在阴暗处或森林的最下层才能找到。据此，可将植物分为阳性植物和阴性植物等类型。草原与荒漠植物多属喜光的阳性植物，浓密的林下多生长阴性植物。 3.光照强度对动物的活动也有重要影响。 光也是对动物的生存、行为和分布具有直接作用的重要因素之一。不同动物对光强反应不一样。有的动物适应于在较弱光度下生活，为夜行性动物，如黄鼬等；有的则适应于较强光度下生活的，是昼行性动物，例如许多鸟类只有在度过黑夜之后的清晨才开始鸣啭和觅食；第三类动物在拂晓或黄昏时分活动，如蝙蝠等，为晨昏性动物。 （三）生命的光周期现象 光周期现象：地球上不同纬度地区，在植物生长季节里每天昼夜长短比例不同，对植物的开花结实具有明显的影响，这叫做光周期现象。根据植物对光周期反应的不同，可分为长日照植物、短日照植物和中间性植物。长日照植物在生长过程中有一段时间每天需要有12小时以上的光照时数才能开花，光照时间越长，开花越早。短日照植物，每天光照时数在12小时以下才能开花，在一定范围内黑暗期越长，开花越早。中间性植物，对光照长短没有严格要求，只要生存条件适宜就可开花结实。在农业生产和园艺植物栽培中，花期的控制以及引种工作中，研究植物的光周期现象具有重要的意义。 动物也有明显的光周期现象。[5] |
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