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可见光谱只占有宽广的电磁波谱的一小部分。
可见光谱只占有宽广的电磁波谱的一小部分。
可见光波长的镭射
可见光波长的镭射

通常指的是人类眼睛可以见到的电磁波可见光),视知觉就是对于可见光的知觉[1]。可见光只是电磁波谱上的某一段频谱,一般是定义为波长介于400至700奈米(nm)之间的电磁波,也就是波长比紫外线长,比红外线短的电磁波[2][3]。有些资料来源定义的可见光的波长范围也有不同,较窄的有介于420至680nm[4][5],较宽的有介于380至800nm[6][7]。在电磁波中,电场与磁场互相垂直。

而所有的非可见光也可以被称为光,如紫外光[8]红外光[9]X光[10]

光是一种电磁波,光在杨氏双缝实验中体现波衍射的特性。在光电效应中,光是由光子基本粒子组成的粒子流。因为光同时具有粒子性与波动性,所以说光具有“波粒二象性”。

研究历史

光的本性问题很早就引起了人们的关注。

印度教和佛教的理论

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早在公元前6至5世纪的古印度数论派(Samkhya)和胜论派(Vaisheshika)的学者已形成了光的理论。数论派认为光是组成世间万物的五微尘(tanmatra,即“五唯”——香、味、色、触、声)之一。这五种元素的粒子性并没有被特别说明,并且似乎是被作为连续状态来理解的。

另一种观点来自胜论派,他们提出了一种原子理论,认为物理世界是由非原子的以太、时间和空间所构成。最基本的原子分别是土(prthivı),水(pani),(agni)和空气(vayu),这里的意思和通常意义上的这几种物质并不等价。这些原子结合形成双原子分子,然后进一步结合以形成更大的分子。这些实物原子被视作是运动的,这种运动似乎还被理解为非瞬时性的。他们认为光线是高速的火(tejas)原子流。当火原子以不同速度运动、以不同形式组合时,光粒子可以展现不同的特征。在公元前一世纪左右的《毗湿奴往世书》(Vishnu Purana)里,阳光被称为“太阳的七辉线”。

印度佛教徒,比如五世纪的陈那菩萨(Dignāga)和七世纪的法称(Dharmakirti),发展出了一种原子论哲学,认为组成现实世界的原子实体其实是光或能量的瞬间流动。光被认为是和能量等同的原子整体,类似于现代光子概念,但是他们把所有物质都一概视作由这些光能粒子所构成。

希腊和泛希腊时期的理论

进入说

光是一种粒子,进入到眼球便能看到。

发射说

在公元前5世纪,恩培多克勒(Empedocles)提出假设,认为万物由火、空气、土、水四种元素构成。他相信人类的眼睛是阿佛洛狄忒(Aphrodite)以这四种元素所造,并且阿佛洛狄忒在人眼中燃炎,从而照亮外物形成视觉。但如果真是这样,那无论昼夜人都该有同等视力。对于这个问题,恩培多克勒假想了一种太阳光线和视线互感的机制来加以解释。

在公元前300年左右,欧几里得在著作《光学》(Optica)中写到了他对光性质的研究。欧几里得设想光线笔直传播,并用数学方法研究并阐述了反射定律。他质疑视觉产生于眼睛内发光的观点,因为它不能解释为什么在夜晚眨一下眼睛后还能立刻看到星星,除非眼睛发出的光以极速传播。

在公元前55年,罗马人卢克莱修将早期希腊原子论者的观点进一步作了发扬,即使和之后的粒子理论相近似,卢克莱修的理论在当时并没有被广泛接受。他写道:“太阳的光和热都是由微小原子组成,发射后将没有损耗地穿过空气介质背离光源前进” ——《关于宇宙的本质》

物理学理论

勒内·笛卡儿(1596–1650)认为光是发光物的一种机械属性,这不同于海什木(Ibn al-Haytham)和威特罗(Witelo)的“形态”说,也不同于罗吉尔·培根格罗斯泰斯特(Grosseteste)和开普勒的“种类”说。他在1637年发表的光折射理论中,类比声波的传播行为,错误地得出了光速和传播介质密度成正比的结论。虽然笛卡尔在相对速度上判断错误,但他正确地假设了光的波状性质,还成功地用不同介质下光速的差异解释了折射现象。虽然笛卡尔并不是第一个尝试用机械分析解释光的人,但他明确坚持光仅是发光体和传播介质的机械波性质,而因此使他的理论被视作现代物理光学的起点。

波粒之争

在1666年,牛顿发现了光的色散现象。

在1678年,惠更斯提出光是一种波动。

在1690年,惠更斯发表了《光论》,提出了惠更斯原理,但是在当时得到两列相干光源很不容易,所以波动说很长时间内没有被认可证明。

在1704年,牛顿发表了《光学》,说明光说以太中传播的振动,当中说明因为光是粒子,所以光可以反射,而粒子在空中和水中也有不同的速度,所以光可以折射,这让他一举成为了光粒学的代表人物。

1803年,28岁的英国物理学家托马斯·杨首先用滤波片将光分为一种单色光,再将光通过单缝去把光扩散,这样便可用双缝去确保是有两个同相频率的波源,在实验中,光出现了波的干涉现象,更写了书反对牛顿的波粒说。但是很可惜,当时人们都普遍支持牛顿,所以书只卖出来一本。他的波动说理论与当时由大名鼎鼎的牛顿所支持的波粒说相比,实在是大巫见小巫,在此之后便去学习语言。

1817年时,支持光粒学的学者联合法国科学院举办一场比赛,目的是为了研究出反对光是波动。29岁的菲尼尔提出一种计算方法,认为光是一种波。泊松是一名支持波粒学法国数学家,他通过一些计算发现,若在光源前面放一个圆形的障碍物,在波动学这个理论中中间应出现一个光点,但在他的实验之中却无法出现光点。经过争论后,科学家们重复做多一次实验,最后发现了中间是有光点,这个发现也被称为泊松亮斑。

光微粒说

法国数学家皮埃尔·伽桑狄(Pierre Gassendi)提出了他的光粒子假设,他的这一假设在他死后发表,并且在艾萨克·牛顿早年引起了他的兴趣。牛顿本人倾向于笛卡尔的实空理论(plenum)。他在他1675年的《解释光属性的假说》(An Hypothesis explaining the Properties of Light)中提到,光是由光源向四面八方发射的微粒组成。牛顿反对光波动说的一个理由是,波会绕开障碍物,而光却是直线传播的。但对于格里马尔迪(Francesco Grimaldi)观察到的衍射现象,牛顿甚至也稍作妥协,解释为光粒子移动于以太所产生的局部波造成。

牛顿的理论和光的反射现象相吻合,但对于折射现象,牛顿错误地认为是因为进入高密度介质时所受引力更大使光加速而形成的。牛顿在1704年发表了他集大成的《光学》一作。牛顿本人的权威使光的粒子理论在18世纪甚嚣尘上。但皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Laplace)反驳说,人的密度既然这么大,那光几乎不可能逃脱人的引力了。用现在的说法,人将成为一个黑洞。

光波动说

在1660年代,罗伯特·胡克发表了他的光波动说。克里斯蒂安·惠更斯在1678年得出了他自己的波动学说,并在1690年发表在他的《光的专著》(Treatise on light)里。他认为光线在一个名为发光以太(Luminiferous ether)的介质中以波的形式四射,并且由于波并不受重力影响,他假设光会在进入高密度介质时减速。光波动说预言了1800年托马斯·杨发现的干涉现象以及光的偏振性。杨用衍射实验展现了光的波动性特征,还提出颜色是由光波波长不同所致,用眼睛的三色受体解释了色觉原理。

莱昂哈德·欧拉也是光波动说的支持者之一,他在《光和色彩的新理论》(Nova theoria lucis et colorum)中阐述了他的这一观点,他认为波理论更容易解释衍射现象。

之后,奥古斯丁·菲涅耳也独立完成了他的波动理论的建立,并于1817年上递给法国科学院。西莫恩·泊松完善了菲涅耳的数学证明,给了光粒子说致命一击。在1821年,菲涅耳使用数学方法使光的偏振在波动理论上得到了唯一解释。

但波动理论的弱点在于,波,类似于声波,传播需要介质。虽然曾有过发光以太的假想,但这也因为19世纪迈克耳孙-莫雷实验陷入了强烈的质疑。

牛顿推测光速在高密度下变高(而实际光速在高密度介质变低),[11]:18-19惠更斯和其他人觉得正相反。但当时并没有准确测量光速的条件。1802年,托马斯·杨做实验发现,当光波从较低密度介质移动进入较高密度介质之后,光波的波长会变短,他因此推论光波的运动速度会降低。[12]。1850年,莱昂·傅科的实验得到了和波动理论同样的结果。

电磁理论

1845年,迈克尔·法拉第发现当偏振光穿过施加了磁场的透明介质时,会发生偏振旋转。这后来被称为法拉第效应,它首次发现了光和电磁的关系。在1846年,他推测光可能是沿磁场线衍生的某种形式的扰动。次年,法拉第提出光是一种高频电磁振动,不需要介质也能衍生。

法拉第的研究启发了詹姆斯·麦克斯韦研究电磁辐射和光。麦克斯韦发现自生电磁波会以恒定速度传播,而且这个速度恰好等于光速。正是从这一点出发,麦克斯韦得出了光是一种电磁波的结论。20多年后,赫兹用实验证实了电磁波的存在,测得电磁波的传播速度的确与光速相同,同时电磁波也能够产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象,从实验中证明了光是一种电磁波。

粒子理论的新生

波动理论几乎在所有光学和电磁学的现象中得到了验证,这是19世纪物理学的一个重大成果。但到19世纪末期,有一些实验现象要不是无法解释,就是违反当时理论,其中一个争议即为光电效应。实验数据的结果指出,放出的电子能量与光线的频率成正比,而非强度。更特别的是,当光线小于某一个最小频率后,无论再加大强度,都不会产生感应电流,这现象似乎是违反了波理论。许多年来,物理学家们尝试寻找答案都无功而返,直到1905年爱因斯坦让粒子理论重回历史舞台。由于太多的实验现象为波动理论佐证,使得爱因斯坦的想法,在当时的物理学界受到了巨大质疑。然而爱因斯坦对光电效应的解释最终得到了认同,并开启了波粒二象性量子力学两扇大门。

特性

反射
反射
折射
折射
光纤束
光纤束

光是能量的一种传播方式。光源所以发出光,是因为束缚于光源原子里的电子的运动。有三种方式:热运动、跃迁辐射、受激辐射。前者为生活中最常见的,比如电灯火焰;后者多应用于镭射

另外,光波本身就是从原子、分子内辐射出的高频电磁场,因此光波可以通过加速带电粒子产生。如同步辐射光、轫致辐射切伦科夫辐射自由电子镭射[13]波动光学非线性光学将发光看做原子内部因吸收外界能量而导致其电偶极矩发生周期变化的结果。几何光学、波动光学、非线性光学与同步辐射光等理论完全可以用经典电动力学电磁场理论的相关内容来解释。

直进性

光沿直线传播,简言之光是直线运行的,也不需要任何介质,但在其他物体的重力场的影响下,光的传播路径会发生偏折,最显著的就是黑洞的影响 (参见引力透镜)

反射

光线遇另一介质反射的情况是指入射光反回原介质的情形,反射定律可以下列三原则来说明:

  1. 反射线、入射线与法线在同一平面上。
  2. 反射线与入射线在法线的两侧。
  3. 反射角等于入射角:

折射

光从不同密度的介质穿过时发生的偏折现象为折射,不同介质可以出现不同的折射角,由该介质的折射率 来决定,并遵从斯涅尔定律

光速在不同介质中亦会转变:

时,折射光沿着界面运行,这时 称为临界角 ;当 时,入射光则完全反射回原介质,称为全内反射。

全内反射

全内反射是光折射的一个特殊情况,当光线由密度较高的(光密)介质到密度较低的(光疏)介质且入射角大于临界时,即 ,则只有反射光线,没有折射光线,这现象是为全内反射,而在现实生活中,光纤,鱼眼镜头便是全内反射的最好例子。

光路可逆原理

在干涉与衍射可忽略的情况中,入射光线与反射光线的可交换性。就是在一条光径的终点,发出反方向的光,此光可沿原路径回到原来的起点。在介质分界面处应用光路的可逆性可导出关于反射率和折射率的斯托克斯关系。

干涉

干涉现象是波的一种特性,如牛顿环。在双缝实验中,我们可以看到不同光暗条纹在投射屏上,其中光部条纹代表该处发生相长干涉,暗部则代表该处发生相消干涉。,其中D(slit-screen separation要较a(slit separation)大很多。根据这公式,我们可代入不同的数值去计算波长等数值。

衍射(衍射)

衍射现象也是波的一种特性,是光在通过阔度与其波长相当的孔或缝时所发生的现象。在单缝实验中,我们可以看见光不会持续原来的直线路径,而是作扇形发散状,根据,我们可以根据公式计算出其第一,第二等等光部条纹是发生在哪个角度。另外,我们可以知道,当波长越长,其衍射程度越大。

光电效应

一种光游离作用(光子将电子撞出原子,使之游离的过程),最常见的应用是以光束完成电流通路的电眼系统。

传播速度

在真空中光的传播速度为 299,792,458 m/s(准确),是一个常数,以符号 代表,也是讯息传播速度的上限。由于光子的静止质量为0,因此理论上并没有任何物质的速度能超过光速

光源

正在发光物体叫做光源,而“正在”这个条件必须具备。光源可以是天然的或和人造的。

光谱

在光的产生过程中,因为跃迁能级的不同,释放出不同频率的光子爱因斯坦能量方程)。而不同频率的光会有着不同的颜色。可见光范围内依次为赤橙黄绿蓝靛紫。白光为所有这些光谱的综合。如果用棱镜折射白光,就能够观察到上述可见光光谱。
既复色光(如白光)被色散系统(如棱镜)分类后,按波长的大小依次排列的图案。
后来,对光谱的研究就成了一门专业学科——光谱学。人们利用光谱来研究发光物体的性质。在现代,光谱学在宇宙的研究方面起着重要的作用。

光学现象

一般常见的光学现象通常是由来自太阳月球的光与大气灰尘和其他粒子相互作用,在大气层中表现出的光学特性。其它现象可以是人为的光学效果或人眼产生的内眼学现象(幻影已经被排除)。

光是直线传播的。基于光线的光学,称为几何光学或线性光学(Beam Optics)。有许多现象肇因于光是粒子的本性。有些非常微妙,只有通过科学仪器的精密测量才能观察到。一个著名的观测是日食期间观察到星光的偏折,这证明了相对论理论预测的空间弯曲。

光的应用

照明(荧光灯、钨丝灯、LED灯)、能源(太阳能、清洁能源)、电子电脑电视投影仪、微波炉等)、通信光纤、鱼骨天线)、医疗保健(伽马刀、B超仪、光波房、汗蒸房、X光机)等,生物工程(光学镊子、啁啾放大技术)

形成

根据能量守恒定律,能量是不能随意制造或毁灭的,但是光子会在化学反应(例如核聚变核裂变等)中与释放的能量一起产生。[来源请求]

参考文献

  1. ^ International Commission on Illumination (1987). International Lighting Vocabulary页面存档备份,存于互联网档案馆). Number 17.4. CIE, 4th edition. ISBN 978-3-900734-07-7.
    By the International Lighting Vocabulary, the definition of light is: “Any radiation capable of causing a visual sensation directly.”
  2. ^ Pal, G. K.; Pal, Pravati. chapter 52. Textbook of Practical Physiology 1st. Chennai: Orient Blackswan. 2001: 387 [11 October 2013]. ISBN 978-81-250-2021-9. (原始内容存档于2013-12-31). The human eye has the ability to respond to all the wavelengths of light from 400-700 nm. This is called the visible part of the spectrum. 
  3. ^ Buser, Pierre A.; Imbert, Michel. Vision. MIT Press. 1992: 50 [11 October 2013]. ISBN 978-0-262-02336-8. (原始内容存档于2013-12-31). Light is a special class of radiant energy embracing wavelengths between 400 and 700 nm (or mμ), or 4000 to 7000 Å. 
  4. ^ Laufer, Gabriel. Introduction to Optics and Lasers in Engineering. Cambridge University Press. 13 July 1996: 11 [20 October 2013]. ISBN 978-0-521-45233-5. 
  5. ^ Bradt, Hale. Astronomy Methods: A Physical Approach to Astronomical Observations. Cambridge University Press. 2004: 26 [20 October 2013]. ISBN 978-0-521-53551-9. (原始内容存档于2013-12-31). 
  6. ^ Ohannesian, Lena; Streeter, Anthony. Handbook of Pharmaceutical Analysis. CRC Press. 9 November 2001: 187 [20 October 2013]. ISBN 978-0-8247-4194-5. (原始内容存档于2013-12-31). 
  7. ^ Ahluwalia, V. K.; Goyal, Madhuri. A Textbook of Organic Chemistry. Narosa. 1 January 2000: 110 [20 October 2013]. ISBN 978-81-7319-159-6. 
  8. ^ 各個波段的電磁波特徵與用途. [2015-12-05]. (原始内容存档于2017-09-27). 
  9. ^ 近紅外光譜儀. [2015-12-05]. (原始内容存档于2015-12-08). 
  10. ^ X光對人體的影響. [2015-12-05]. (原始内容存档于2016-03-05). 
  11. ^ Whittaker, E. T., A history of the theories of aether and electricity. Vol 1, Nelson, London, 1951 
  12. ^ Hecht, Eugene, Optics 4th, United States of America: Addison Wesley: pp. 106–111, 141, 2002, ISBN 0-8053-8566-5 (英语) 
  13. ^ 高中物理:机械波与电磁波[永久失效链接]

参见

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