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光波

来源:科学揭秘 作者:小慧 时间:2020-06-26 10:08:06

 光波

光波,通常是指电磁波谱中的可见光。可见光通常是指频率范围在3.9×10~7.5×10Hz之间的电磁波,其真空中的波长约为400~760nm。光在真空中的传播速度为c=3×10m/s,是自然界中物质运动的最快速度。光波是横波,其中电场强度E和磁感应强度B(或磁场强度H)彼此相互垂直,并且都与传播方向垂直。

光波介绍

基本概念

光波,通常是指电磁波谱中的可见光。可见光通常是指频率范围在3.9×1014~7.5×1014Hz之间的电磁波,其真空中的波长约为400~760nm。光在真空中的传播速度为c=3×108m/s,是自然界中物质运动的最快速度。光波是横波,其中电场强度E和磁感应强度B(或磁场强度H)彼此相互垂直,并且都与传播方向垂直。

光波具有波粒二象性(是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质):也就是说从微观来看,由光子组成,具有粒子性;从宏观来看又表现出波动性。根据量子场论(或者量子电动力学),光子是电磁场量子化之后的直接结果。光的粒子性揭示了电磁场作为一种物质,是与分子、原子等实物粒子一样,有其内在的基本结构(组成粒子)的。而在经典的电动力学理论中,是没有“光子”这个概念的。

光波作为一种特定频段是电磁波,其颜色与频率有关。可见光中紫光频率最大,波长最短。红光则刚好相反。

红外线、紫外线、X射线等都属于不可见光。

红外线频率比红光低,波长更长。

紫外线、X射线等频率比紫光高,波长更短。

测量工具

对于光的测量可以用到很多测量工具,比如:光元器件分析仪、偏振分析仪、偏振控制器、大功率光衰减器、光谱分析仪、数字通信分析仪、脉冲码型发生器、并行比特误码率测试仪、光接收机强化测试器。

光的传播形态分类

根据传播方向上有无电场分量或磁场分量,可分为如下三类,任何光都可以这三种波的合成形式表示出来。

TEM波:在传播方向上没有电场和磁场分量,称为横电磁波。

TE波:在传播方向上有磁场分量但无电场分量,称为横电波。

TM波:在传播方向上有电场分量而无磁场分量,称为横磁波。

波动方程的简谐波形式的特解依据其振幅随空间位置的变化分为平面波、球面波和柱面波。

光学史

印度教和佛教的理论

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。

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。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),火(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

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。

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,并且由于波并不受引力影响,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世纪迈克耳逊—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),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。1850年,莱昂·傅科的实验得到了和波动理论同样的结果。

光的电磁说

1845年,迈克尔·法拉第(Michael Faraday)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感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(James Clerk Maxwell)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。

由麦克斯韦的理论研究表明,空间电磁场是以光速传播。这一结论已被赫兹的实验证实。麦克斯韦,在1865年得出了结论:光是一种电磁现象。按照麦克斯韦的理论,c/v=√(εμ)。

式中c为真空中的光速。ν为在介电常数为ε和导磁系数为μ的介质中的光速。由折射率的定义n=c/v,知n=√(εμ)。

这个关系式给出了物质的光学常数,电学常数和磁学常数之间的关系。当时从上述的公式中看不出n应随着光的波长λ而改变,因而无法解释光的色散现象。后来洛伦兹在1896年创立了电子论。从这一理论看,介电常数ε是依赖于电磁场的频率,即依赖于波长而变的,从而搞清了光的色散现象。光的电磁理论能够说明光的传播、干涉、衍射、色散、散射、偏振等许多现象,但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质,所以还需要近代的量子理论来补充。

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动理论。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和量子力学两扇大门。 

光的波粒二象性

光电效应以及康普顿效应无可辩驳地证明了光是一种粒子,但是光的干涉和光的衍射又表明光确实是一种波。光到底是什么?光是一种波,同时也是一种粒子。光具有波粒二象性。这就是现代物理学的回答。

根据量子场论(或者量子电动力学),光子是电磁场量子化之后的直接结果。光的粒子性揭示了电磁场作为一种物质,是与分子、原子等实物粒子一样,有其内在的基本结构(组成粒子)的。而在经典的电动力学理论中,是没有“光子”这个概念的。

光源

发射(可见)光的物体叫做(可见)光源。太阳是人类最重要的光源。可见光源有热辐射高压光源(如白炽灯)、气体放电光源(如霓虹灯、荧光灯)等。光源有分自然光、人造光。有生命的一定是自然光,如水母、萤火虫等,没有生命的不一定是人造光,如恒星、太阳等。

热辐射光源是利用热辐射来发光的。由热辐射理论可知,温度越高,发光效率也越高。白炽灯是爱迪生于1879年首先试制成功的。他选择熔点高的碳做材料,制成碳丝,密封在抽成真空的玻璃管内,通以电流,碳丝就发热发光。由于碳易挥发,工作温度不能超过2100K。后来,选用熔点稍低于碳,但不易挥发的钨做材料,工作温度可达2400K,从而提高了发光效率。现代热辐射的新光源有碘钨灯、溴钨灯,发光效率还要高。

气体放电光源是利用电子在两电极间加速运行时,与气体原子碰撞,被撞的气体原子受激,把吸收的电子动能又以辐射发光形式释放出来,这叫做电致发光。不同气体受激发光的频率不同,利用这点可制成各种颜色的霓虹灯。

有的气体放电光源,玻璃管中充的气体受激发射的是不可见光。如水银蒸气在电场中受激发射的就是紫外线。我们可在玻璃管内壁上涂荧光粉,紫外线射到荧光粉上,再激发出可见光来,日光灯就是采用这一原理制成的。日光灯是电致发光和光致发光的综合,它的发光效率比白炽灯好,但显色性不好。现代新型的气体放电照明光源有低压钠灯、高压钠灯等。

光源按发光原理分,除热辐射发光、电致发光、光致发光外,还有化学发光、生物发光等。化学发光是在化学反应中以传热发光形式释放其反应能量时发射的光;生物发光是在生物体内由于生命过程中的变化所产生的发光,如萤火虫体内的萤光素在萤光素酶作用下与空气发生氧化反应而发光。

另外,光波本身就是从原子、分子内辐射出的高频电磁波,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、自由电子激光等。经典物理学将发光看做原子内部带电粒子(原子核与电子)因吸收外界能量而导致其电偶极矩发生周期性变化的结果。几何光学、波动光学、非线性光学、同步辐射光等理论完全可以用经典电动力学中电磁场理论的相关内容来解释。

光的具体应用

数码领域,如手机、电脑等。

通信领域,如光纤网络。

保健领域:光波浴房  、频谱能量屋

食品加工领域:光波炉。

光通信:利用光作为载频的通信方式。

光纤通信:就是利用光波作为载频和光纤作为传输媒质的一种通信方式。它工作在近红外区,即波长是0.8μm(微米)~1.8μm。对应的频率为167THz~375THz。在光纤通信中起主导作用的是激光器(光源、光电检测器)和光纤。

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