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光的歷史起源

光是人類眼睛可以看見的壹種電磁波,也稱可見光譜。

在科學上的定義,光是指所有的電磁波譜。

光是由光子為基本粒子組成,具有粒子性與波動性,稱為波粒二象性。

光可以在真空、空氣、水等透明的物質中傳播。

對於可見光的範圍沒有壹個明確的界限,壹般人的眼睛所能接受的光的波長在400-700毫米之間。

人們看到的光來自於太陽或借助於產生光的設備,包括白熾燈泡、熒光燈管、激光器、螢火蟲等。

因為光是人類生存不可或缺的物質,光的成語非常多,也有同名的歌曲。

蘇格蘭物理學家詹姆士·克拉克·麥克斯韋——19世紀物理學界的巨人之壹的研究成果問世,物理學家們才對光學定律有了確定的了解。

從某些意義上來說,麥克斯韋正是邁克爾·法拉第的對立面。

法拉第在試驗中有著驚人的直覺卻完全沒有受過正式訓練,而與法拉第同時代的麥克斯韋則是高等數學的大師。

他在劍橋大學上學時擅長數學物理,在那裏艾薩克·牛頓於兩個世紀之前完成了自己的工作。

牛頓發明了微積分。

微積分以“微分方程”的語言來表述,描述事物在時間和空間中如何順利地經歷細微的變化。

海洋波浪、液體、氣體和炮彈的運動都可以用微分方程的語言進行描述。

麥克斯韋抱著清晰的目標開始了工作——用精確的微分方程表達法拉第革命性的研究結果和他的力場。

麥克斯韋從法拉第電場可以轉變為磁場且反之亦然這壹發現著手。

他采用了法拉第對於力場的描述,並且用微分方程的精確語言重寫,得出了現代科學中最重要的方程組之壹。

它們是壹組8個看起來十分艱深的方程式。

世界上的每壹位物理學家和工程師在研究生階段學習掌握電磁學時都必須努力消化這些方程式。

隨後,麥克斯韋向自己提出了具有決定性意義的問題:如果磁場可以轉變為電場,並且反之亦然,那若它們被永遠不斷地相互轉變會發生什麽情況?麥克斯韋發現這些電—磁場會制造出壹種波,與海洋波十分類似。

令他吃驚的是,他計算了這些波的速度,發現那正是光的速度!在1864年發現這壹事實後,他預言性地寫道:“這壹速度與光速如此接近,看來我們有充分的理由相信光本身是壹種電磁幹擾。

” 這可能是人類歷史上最偉大的發現之壹。

有史以來第壹次,光的奧秘終於被揭開了。

麥克斯韋突然意識到,從日出的光輝、落日的紅焰、彩虹的絢麗色彩到天空中閃爍的星光,都可以用他匆匆寫在壹頁紙上的波來描述。

今天我們意識到整個電磁波譜——從電視天線、紅外線、可見光、紫外線、X射線、微波和γ射線都只不過是麥克斯韋波,即振動的法拉第力場。

光分為人造光和自然光。

自身發光的物體稱為光源,光源分冷光源和熱光源。

如圖為人造光源。

有實驗證明光就是電磁輻射,這部分電磁波的波長範圍約在紅光的0.77微米到紫光的0.39微米之間。

波長在0.77微米以上到1000微米左右的電磁波稱為“紅外線”。

在0.39微米以下到0.04微米左右的稱“紫外線”。

紅外線和紫外線不能引起視覺,但可以用光學儀器或攝影方法去量度和探測這種發光物體的存在。

所以在光學中光的概念也可以延伸到紅外線和紫外線領域,甚至X射線均被認為是光,而可見光的光譜只是電磁光譜中的壹部分。

光具有波粒二象性,即既可把光看作是壹種頻率很高的電磁波,也可把光看成是壹個粒子,即光量子,簡稱光子。

光速取代了保存在巴黎國際計量局的鉑制米原器被選作定義“米”的標準,並且約定光速嚴格等於299,792,458米/秒,此數值與當時的米的定義和秒的定義壹致。

後來,隨著實驗精度的不斷提高,光速的數值有所改變,米被定義為1/299,792,458秒內光通過的路程,光速用“c”來表示。

光是地球生命的來源之壹。

光是人類生活的依據。

光是人類認識外部世界的工具。

光是信息的理想載體或傳播媒質。

據統計,人類感官收到外部世界的總信息中,至少90%以上通過眼睛…… 當壹束光投射到物體上時,會發生反射、折射、幹涉以及衍射等現象。

光線在均勻同等介質中沿直線傳播。

光波,包括紅外線,它們的波長比微波更短,頻率更高,因此,從電通信中的微波通信向光通信方向發展,是壹種自然的也是壹種必然的趨勢。

普通光:壹般情況下,光由許多光子組成,在熒光(普通的太陽光、燈光、燭光等)中,光子與光子之間,毫無關聯,即波長不壹樣、相位不壹樣,偏振方向不壹樣、傳播方向不壹樣,就象是壹支無組織、無紀律的光子部隊,各光子都是散兵遊勇,不能做到行動壹致。

光反射時,反射角等於入射角,在同壹平面,位於法線兩邊,且光路可逆行。

光的種類 光源可以分為三種。

第壹種是熱效應產生的光,太陽光就是很好的例子,此外蠟燭等物品也都壹樣,此類光隨著溫度的變化會改變顏色。

第二種是原子發光,熒光燈燈管內壁塗抹的熒光物質被電磁波能量激發而產生光,此外霓虹燈的原理也是壹樣。

原子發光具有獨自的基本色彩。

第三種是同步加速器(synchrotron)發光,同時攜帶有強大的能量,原子爐發的光就是這種,但是我們在日常生活中幾乎沒有接觸到這種光的機會。

光的色散 復色光分解為單色光的現象叫光的色散.牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散,把白光分解為彩色光帶(光譜).色散現象說明光在媒質中的速度(或折射率n=c/v)隨光的頻率而變.光的色散可以用三棱鏡,衍射光柵,幹涉儀等來實現. 白光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等各種色光組成的叫做復色光。

紅、橙、黃、綠等色光叫做單色光。

色散:復色光分解為單色光而形成光譜的現象叫做光的色散。

色散可以利用棱鏡或光柵等作為“色散系統”的儀器來實現。

復色光進入棱鏡後,由於它對各種頻率的光具有不同折射率,各種色光的傳播方向有不同程度的偏折,因而在離開棱鏡時就各自分散,形成光譜。

光的電磁說 說明光在本質上是電磁波的理論。

電磁輻射不僅與光相同,並且其反射、折射以及偏振之性質也相同)由麥克斯韋的理論研究表明,空間電磁場是以光速傳播。

這壹結論已被赫茲的實驗證實。

麥克斯韋,在1865年得出了結論:光是壹種電磁現象。

按照麥克斯韋的理論c/v=√( ε* μ) 式中c為真空中的光速。

ν為在介電常數為ε和導磁系數為μ的媒質中的光速,因為c/v=n(折射率),所有n=√( ε* μ) 這個關系式給出了物質的光學常數,電學常數和磁學常數之間的關系。

當時從上述的公式中看不出n應隨著光的波長λ而改變,因而無法解釋光的色散現象。

後來羅侖茲在1896年創立了電子論,從這壹理論看,介電常數ε是依賴於電磁場的頻率,即依賴於波長而變的,從而搞清了光的色散現象。

光的電磁理論能夠說明光的傳播、幹涉、衍射、散射、偏振等許多現象,但不能解釋光與物質相互作用中的能量量子化轉換的性質,所以還需要近代的量子理論來補充。

光的微粒說 關於光的本性的壹種學說。

17世紀曾為牛頓等所提倡。

這種學說認為光由光源發出的微粒、它從光源沿直線行進至被照物,因此可以想像為壹束由發光體射向被照物的高速微粒。

這學說很直觀地解釋了光的直進及反射折射等現象,曾被普遍接受;直到19世紀初光的幹涉等現象發現後,才被波動說所推翻。

1905年提出光是壹種具有粒子性的實物(光子)。

但這觀念並不摒棄光具有波動性質。

這種關於光的波粒二象性的認識,是量子理論的基礎。

光的波動說 關於光的本性的壹種學說。

第壹位提出光的波動說的是與牛頓同時代的荷蘭人惠更斯。

他在17世紀創立了光的波動學說,與光的微粒學說相對立。

他認為光是壹種波動,由發光體引起,和聲壹樣依靠媒質來傳播。

這種學說直到19世紀初當光的幹涉和衍射現象被發現後才得到廣泛承認。

19世紀後期,在電磁學的發展中又確定了光實際上是壹種電磁波,並不是同聲波壹樣的機械波。

1888年德國物理學家赫茲用實驗證明了電磁波的存在,從此奠定了光的電磁理論。

這壹理論能夠說明光的傳播、幹射、衍射、散射、偏振等許多現象。

但不能解釋光與物質相互作用中的能量量子化轉換的性質,所以還需要近代的量子理論來補充。

dispersion of light 介質折射率隨光波頻率或真空中的波長而變的現象。

當復色光在介質界面上折射時,介質對不同波長的光有不同的折射率,各色光因折射角不同而彼此分離。

1672年,牛頓利用三棱鏡將太陽光分解成彩色光帶,這是人們首次作的色散實驗。

通常用介質的折射率n或色散率dn/dλ與波長λ的關系來描述色散規律。

任何介質的色散均可分正常色散和反常色散兩種。

復色光分解為單色光而形成光譜的現象.讓壹束白光射到玻璃棱鏡上,光線經過棱鏡折射以後就在另壹側面的白紙屏上形成壹條彩色的光帶,其顏色的排列是靠近棱鏡頂角端是紅色,靠近底邊的壹端是紫色,中間依次是橙黃綠藍靛,這樣的光帶叫光譜.光譜中每壹種色光不能再分解出其他色光,稱它為單色光.由單色光混合而成的光叫復色光.自然界中的太陽光、白熾電燈和日光燈發出的光都是復色光.在光照到物體上時,壹部分光被物體反射,壹部分光被物體吸收。

如果物體是透明的,還有壹部分透過物體。

不同物體,對不同顏色的反射、吸收和透過的情況不同,因此呈現不同的色彩。

比如壹個黃色的光照在壹個藍色的物體上,那個物體顯示的是黑色,因為藍色的物體只能反射藍色的光,而不能反射黃色的光,所以把黃色光吸收了,就只能看到黑色了。

但如果是白色的話,就反射所有的色。

光的實質:原子核外電子得到能量 躍遷到更高的軌道上 這個軌道不穩定 還要躍遷回來 躍遷回來釋放出的就是壹個光子 就是以光的形式向外發出能量 躍遷的能級不同 釋放出來的能量不同 光子的波長就不同 光的顏色就不壹樣了 光到底是什麽?是壹個值得研究,和必需研究的問題。

當今物理學院就已經又達到了壹個瓶頸,即相對論與量子論的沖突,光的本質是基本微粒還是像聲音壹樣的波(若是波又在什麽介質中傳播)對未來研究具有指導性作用。

目前比較合理的觀點是光既是壹種粒子同時又是壹種波,具有波粒二相性,就像水滴和水波的關系。