光：历史，自然，行为，传播 - 物理 - 2025

所述光是电磁波可以通过视线的意义来检测。它构成了电磁光谱的一部分：所谓的可见光。多年来，提出了各种理论来解释其性质。

例如，人们一直坚持认为光是由物体或观察者的眼睛发出的粒子流组成的。艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1642-1727）对阿拉伯人和古希腊人的这种信仰进行了解释，以解释光的现象。

图1.由于阳光在大气中的散射，天空是蓝色的。资料来源：

尽管牛顿怀疑光具有波的性质，克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens，1629-1695）设法用波理论解释了折射和反射，但是直到19世纪初，所有科学家都普遍相信光是粒子。 。

在那个世纪的黎明，英国物理学家托马斯·扬毫无疑问地表明，光线可以相互干扰，就像弦上的机械波一样。

那只意味着光是波，而不是粒子，尽管直到1873年，詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）都认为光是一种电磁波才有人知道。

在1887年海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）的实验结果的支持下，光的波性质被确立为科学事实。

但是在20世纪初，关于光的粒子性质的新证据出现了。这种性质存在于发射和吸收现象中，其中光能在称为“光子”的包装中传输。

因此，由于光以波的形式传播并像粒子一样与物质相互作用，因此目前在光中识别出双重性质：波粒。

光的性质

显然，光的本质是双重的，以电磁波的形式传播，其能量来自光子。

这些没有质量的物体在真空中以300,000 km / s的恒定速度移动。这是真空中已知的光速，但是光可以通过其他介质传播，尽管速度不同。

当光子到达我们的眼睛时，检测光存在的传感器被激活。信息被传输到大脑，并在那里进行解释。

当光源发射大量光子时，我们将其视为亮光源。相反，如果它发出的光很少，则将其解释为不透明的源。每个光子都有一定的能量，大脑将其解释为一种颜色。例如，蓝色光子比红色光子更有能量。

任何光源通常都会发出不同能量的光子，因此会发出不同的颜色。

如果没有其他东西以单一类型的能量发射光子，则称为单色光。激光是单色光的一个很好的例子。最后，光子在光源中的分布称为光谱。

波的特征还在于具有一定的波长。正如我们已经说过的那样，光属于电磁波谱，它涵盖了从无线电波到伽马射线的非常宽的波长范围。下图显示了白光束如何散射三角棱镜。光被分为长（红色）和短（蓝色）波长。

中间是称为可见光谱的窄波长带，范围从400纳米（nm）到700 nm。

图2.电磁光谱显示可见光的范围。来源：来源：Wikimedia Commons。作者：霍斯特·弗兰克（Horst Frank）。

光的行为

如所检查的，光具有双重，波和粒子行为。光以与电磁波相同的方式传播，因此，它能够传输能量。但是，当光与物质相互作用时，其行为就像一束称为光子的粒子束。

图4.电磁波的传播。资料来源：维基共享资源。超级Manu

1802年，物理学家托马斯·扬（Thomas Young）（1773-1829）用双缝实验证明了光具有波动特性。

这样，他就可以在屏幕上产生最大和最小的干扰。这种行为是波浪的典型现象，因此Young能够证明光是波浪，并且能够测量其波长。

光的另一个方面是粒子，由称为光子的能量包表示，在真空中以c = 3 x 10 ⁸ m / s的速度移动并且没有质量。但是它们确实具有E能量：

以及动量：

其中h是普朗克常数，其值为6.63 x 10 ^-34焦耳秒，f为波的频率。结合这些表达式：

并且由于波长λ和频率之间的关系为c =λ.f，因此仍为：

惠更斯原理

图5.波阵面和光线沿直线传播。资料来源：Serway。R.科学与工程物理。

在研究光的行为时，要考虑两个重要的原理：惠更斯原理和费马原理。惠更斯原理指出：

为什么是球面波？如果我们假设介质是均匀的，则点光源发出的光将在所有方向上均等地传播。我们可以想象光在大球体的中间传播，光线均匀分布。观察到此光的任何人都会感觉到它以直线朝向他的眼睛传播并垂直于波阵面移动。

如果光线来自非常遥远的光源（例如太阳），则波阵面是平坦的，光线是平行的。这就是几何光学方法的全部意义。

费马原理

费马原理指出：

这一原理得益于法国数学家Pierre de Fermat（1601-1665），他于1662年首次建立该原理。

根据该原理，光在均匀介质中以恒定速度传播，因此它具有均匀的直线运动，并且其轨迹是一条直线。

光的传播

光像电磁波一样传播。电场和磁场两者彼此产生，从而构成同相且彼此垂直并且与传播方向垂直的耦合波。

通常，可以根据波阵面描述在空间中传播的波。这是振幅和相位相等的点集。根据惠更斯的原理，知道给定时刻的波前位置，就可以知道任何后续位置。

衍射

激光被六角形狭缝衍射。林佐西亚人

光的波行为清楚地表现为在传播过程中出现的两个重要现象：衍射和干涉。在衍射中，无论是水，声音还是光波，它们通过开口，绕过障碍物或绕过拐角时都会变形。

如果孔径比波长大，则失真不是很大，但是如果孔径小，则波形的变化更明显。衍射是波的专有属性，因此当光表现出衍射时，我们知道它具有波行为。

干扰和极化

就其本身而言，当构成它们的电磁波重叠时会发生光的干扰。这样做时，会对其进行矢量添加，这可能会引起两种类型的干扰：

–有建设性，当结果波的强度大于分量的强度时。

–如果强度小于组件的强度，则具有破坏性。

当光波是单色的并且始终保持相同的相位差时，就会发生光波干扰。这称为一致性。这样的光可以例如来自激光。诸如白炽灯泡之类的常见光源不会产生相干光，因为灯丝中数百万个原子发出的光不断地改变相位。

但是，如果在同一灯泡上放置一个不透明的阴影，且两个小开口紧靠在一起，则从每个插槽发出的光将用作相干光源。

最后，当电磁场的振动都在同一方向上时，就会发生极化。自然光不是偏振的，因为它由许多组件组成，每个组件都沿不同的方向振荡。

杨的实验

19世纪初，英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）率先使用普通光源获得相干光。

在他著名的双缝实验中，他使光线穿过不透明屏幕的狭缝。根据惠更斯原理，产生了两个次要光源，它们又通过了带有两个狭缝的第二个不透明屏幕。

图6. Young的双缝实验动画。资料来源：维基共享资源。

由此获得的光照亮了黑暗房间中的墙壁。可见的是由亮和暗区域交替组成的图案。该图案的存在由上述干扰现象解释。

杨的实验非常重要，因为它揭示了光的波动本质。随后，对基本粒子（例如电子，中子和质子）进行了实验，结果相似。

光的现象

反射

水中的反射光

当一束光线撞击表面时，一些光可以被反射，而另一些则被吸收。如果它是透明介质，则某些光会继续通过它。

而且，表面可以是光滑的（如镜子），也可以是粗糙且不平坦的表面。在光滑表面上发生的反射称为镜面反射，否则为漫反射或不规则反射。高度抛光的表面（例如镜子）最多可以反射95％的入射光。

镜面反射

该图显示了在介质（可能是空气）中传播的光线。该问题是在角度θ ₁上的平面镜面，并在角度θ被反射₂。表示法线的线垂直于表面。

入射角等于反射角。资料来源：Serway。R.科学与工程物理。

入射光线和反射光线以及镜面表面的法线都在同一平面上。古希腊人已经观察到入射角等于反射角：

该数学表达式是光的反射定律。但是，诸如声音之类的其他波也能够反射。

大多数表面是粗糙的，因此光反射是漫反射的。通过这种方式，它们反射的光被发送到各个方向，因此可以从任何地方看到物体。

由于某些波长比其他波长反射更多，因此对象具有不同的颜色。

例如，树木的叶子反射的光大约在可见光谱的中间，这对应于绿色。其余的可见波长被吸收：从接近蓝光（350-450 nm）的紫外线和红光（650-700 nm）吸收。

折射

屈光现象。约瑟尔7

发生光的折射是因为光根据介质以不同的速度传播。在真空中，光速为c = 3 x 10 ⁸ m / s，但是当光到达材料介质时，会发生吸收和发射过程，从而导致能量降低，并随之降低。

例如，在空气中移动时，光的传播速度几乎等于c，但是在水中时，光的传播速度为c的四分之三，而在玻璃中，光的传播速度约为c的三分之二。

折光率

折射率表示为n，它的定义是真空中的光速c与所述介质中的光速v之间的商：

折射率始终大于1，因为真空中的光速始终大于材料介质中的光速。n的一些典型值是：

-空气：1.0003

-水：1.33

-玻璃：1.5

-钻石：2.42

斯涅尔定律

当一束光线斜射到两种介质（例如空气和玻璃）之间的边界时，一部分光被反射，另一部分继续进入玻璃。

在这种情况下，波长和速度从一种介质传递到另一种介质时会发生变化，而频率不会发生变化。由于v = c / n =λ.f且在真空中c =λo。f，那么我们有：

即，给定介质中的波长始终小于真空λo中的波长。

图8.斯涅尔定律。来源：左图：光的折射图。Rex，A。物理学基础。右图：Wikimedia Commons。约瑟尔7。

注意具有红色斜边的三角形。在每一个介质，所述斜边措施λ ₁ / SINθ ₁和λ ₂ / SINθ ₂分别，由于λ和v是成比例的，因此：

由于λ= _λo / n，我们得到：

可以表示为：

这是斯内尔定律的公式，以纪念荷兰数学家威勒布里德·斯内尔（1580-1626），他通过观察从空气到水和玻璃的光来实验得出了斯涅尔定律。

另外，斯涅尔定律是根据折射率的定义写成每种介质中的光速：n = c / v：

分散

如上所述，光由具有不同能量的光子组成，每种能量都被感知为一种颜色。白光包含所有能量的光子，因此可以分解为不同颜色的光。这是光的散射，牛顿已经研究过了。

大气中的水滴像小棱镜一样。资料来源：

牛顿拿起一个光学棱镜，使一束白光通过，并获得了从红色到紫色的彩色条纹。该条纹是图2中可见光的光谱。

光的散射是自然现象，当彩虹形成时，我们会在天空中欣赏它的美丽。阳光落在大气中的水滴上，水滴的作用就像微小的牛顿型棱镜，从而散射了光。

我们看到天空的蓝色也是色散的结果。大气中富含氮和氧，主要散布蓝色和紫色，但是人眼对蓝色更敏感，因此我们可以看到这种颜色的天空。

当太阳在地平线上较低时，在日出或日落期间，由于光线必须穿过较厚的大气层，因此天空变为橙色。较低频率的红色调与大气元素的相互作用较少，并且可以直接到达地面。

灰尘和污染丰富的大气，例如某些大城市的大气，由于低频分散而天空呈灰色。

关于光的理论

光主要被视为粒子或波。牛顿捍卫的粒子理论将光视为一束粒子。正如惠更斯所言，假设光是波就可以充分解释反射和折射。

但是早在这些杰出的科学家之前，人们就已经对光的本质进行了推测。其中不乏希腊哲学家亚里斯多德。以下是随时间变化的光的理论的简要摘要：

亚里士多德理论

2500年前，亚里斯多德声称光是从观察者的眼睛，被照亮的物体上射出的，并以某种方式与图像一起返回，从而使人可以欣赏它。

牛顿的小体理论

牛顿坚信光是由微小颗粒组成的，这些微小颗粒在所有方向上都以直线传播。当它们到达眼睛时，它们会将感觉记录为光。

惠更斯波动理论

惠更斯发表了一篇名为《论光》的著作，他在书中提出，这是一种类似于声波的媒介干扰。

麦克斯韦电磁理论

尽管双缝实验毫无疑问地留出了光的波性质，但在19世纪的大部分时间里，人们一直在猜测它的波类型，直到麦克斯韦在他的电磁理论中指出光是由波构成的。电磁场的传播。

如前所述，光作为电磁波解释了光的传播现象，并且光的微粒性质也被当今的物理学所接受。

爱因斯坦的小体理论

根据现代的光概念，它由称为光子的无质量且不带电的粒子组成。如上所述，尽管没有质量，但它们仍具有动量和能量。该理论通过以离散（量化）量交换能量成功地解释了光与物质相互作用的方式。

爱因斯坦（Albert Einstein）提出了光量子的存在，以解释几年前海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）发现的光电效应。光电效应包括受到某种类型的电磁辐射撞击的物质的电子发射，几乎总是在紫外线到可见光的范围内。

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