光的基本特征

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光的基本特征 [复制链接]

“光”是与我们的生活密切相关的一种奇特物质，之所以说它“奇特”，是因为它具有诸多特殊性质，这也是其一直以来深深吸引人们的原因。

光是一种波动还是粒子？

       光同时具有着波动性和粒子的特性，我们常常将其称为波粒二象性。

       为了表示“波动性”这一性质，我们选用了“波长”这一词语。波长是光一个振动周期传播的距离，纳米（nm，10亿分之一米）是它常常使用的单位。我们肉眼所能见的光，只是波长大约400nm到700nm之间的光，称之为可见光。这些波长范围以外的光有x线、紫外线、红外线等等。这些光我们虽然看不见，但它们也都是“光”这个大家族的重要成员。

       另一方面，光具有“粒子”的特性（光的粒子性）。光强的变化取决于粒子数量的不同。明亮的光它的粒子数量就多，相反暗的光粒子数量就少。我们将这样的粒子叫做“photons”，也就是“光子”。

       在示波器中对声音和光的信号进行比较，便可以确定光的粒子性。众所周知的是声音具有波动性，如果声音的强度或量级渐弱，声音的信号也会随之变弱，最后甚至消失。与之相对，光虽然也是随着减弱而信号变得越来越小，但在示波器中还是能检测到稀疏的脉冲（极短时间内的信号）。这也就说明，光具有着“粒子”的特性。

光谱图

声音信号和光信号的对比

光是以每秒30万千米的速度行进着

       光的速度每秒约30万千米，也就是说它大约1秒就可以绕地球7圈半。这样的特性也使光可以应用于许多科中，比如说可以在短时间内传输海量信息的光通讯。

光可以在大约1秒的时间内绕地球7圈半

       但是，就算是这个比我们认知内任何一个物体速度都要快的光，把它置于真空中，在兆分之一秒内也只能移动0.3毫米。现在在物理、化学、生物诸多领域，对这样在极其短的时间内迅速发生的光现象的研究，都已成为了必不可少的一部分。

*注：1毫秒=1000分之1秒，1微秒=100万分之1秒，1纳秒=10亿分之1秒，1皮秒=1兆分之1秒

光与物质的相互作用

      光在没有物质的真空宇宙空间中可以毫无障碍的笔直穿行，但当它遇到水、空气等一类物质时，我们会看到被称之为“吸收”“透过”“反射”“散射”等的现象。

当光遇上物质时，会发生各种各样的作用

       首先，当光遇到物质时，其中一部分在穿过物质时被吸收（a），转变为热能；若是碰到的物质是透明的，光在其内部并没有被吸收，而是直接透过（b）并再次出现在物质的外侧；另外，如果物质的表面像镜面那样光滑的话，光就会引起反射（b），而碰到表面凹凸的物质，则会发生散射（c）.

（a）吸收

（b）反射和透过

 

（c）散射

      我们的眼睛就是通过“透过”或“反射”、“散射”的光，来看到所有物质的颜色和形状的。

光的反射

为什么镜子可以映出物体，比如说人的脸？建筑物的窗户玻璃是如何倒影出道路和行驶的车辆的？

       通过物体反射出来的光被称之为反射光，我们之所以能够看到物体的样子，是因为物体的反射光通过眼睛的晶体，在视网膜上进行了成像。从一个没有凹凸的平面物体，如镜子、安静的湖面等物质反射出的光，因其入射角和反射角等同而产生“镜面反射”，进而进入我们的眼睛，在人眼中清晰地倒映出物体的样子。

       另一方面，当一束光照射到凹凸不平的物体时，光会向不同的方向进行“散射”，从而进入我们眼睛的光就不能产生清晰的图像。这也是为什么镜面如果是凹凸的话，物体的倒影会变得模糊，或是完全没有了倒影。

无风的湖面上倒映出的景色

光的散射

白天时天空的颜色是蓝色的，但到了傍晚为什么天空看上去就变成红色了呢？

晴朗的蓝天

落日的晚霞

       太阳给予我们的光是通过了漫长的宇宙旅程才到达地球的，它在这段旅途中，会和大气中的各种粒子、分子相遇从而发生“散射”，而后一部分光返回到了宇宙，余下的光则进入到大气，到达地球。

       然而，不同波长的光，散射的程度也是有所不同的，在人眼可见的光中，蓝光是很容易散射的，这也是为什么在我们眼中的天空是蓝色的。另一方面，日落时的晚霞和日出时的朝霞都有着漂亮的红色、橙色或者粉色。这是因为在太阳位置低的时候，光通过大气到达地球的距离变长，散射的蓝光在途中减弱，余下的红光或橙色的光就到达了我们的视线。

光的折射

盯着杯中放入的吸管，发现没入水中的部分发生了弯曲，这是为什么呢？

        由于光在空气和水中的传播速度是不同的，因此在空气和水的交界处往往会发生光的“折射”。

        我们眼睛虽能捕捉到水中吸管发出的散射光，但当光从水进入到空气时，同时也发生了折射。然而，我们眼睛看到的是从水中发出的平行光，折射进入眼睛的光的延长线上描绘出了“虚像”。因此，看到在水中的吸管的前端，和实际位置是有偏差的。

光的干涉

肥皂泡上面漂亮的颜色是怎么来的呢？

       光是朝着所有方向传播的，因此光波之间常常会发生碰撞，由这种碰撞引起的现象叫做“干涉”。当这些波的波峰重叠时，峰值会变得更大，而当波峰与波谷碰撞时，波之间就会相互抵消。

       肥皂泡是一层极其薄的膜，膜的外侧和内侧反射的光相互干涉进而产生颜色。而之所以肥皂泡膜会引起光的干涉，是因为它不断地在运动，所看见的角度也随之发生着变化。如此一来，这些波的光强不断加强或抵消，最终形成了我们眼看到的五彩变幻的颜色了。

肥皂泡的奇妙颜色

光的色散

为什么雨后的天空会出现彩虹？

       太阳发出的光叫白光，实际上它混合了各种各样的光，只是看起来是“白光”而已。如果我们使用棱镜对白光进行分离的话，我们便可以看到各种颜色的光了。而这样的现象被称之为光的“色散”。

       在自然界，雨水蒸发到空气中残留的水滴，同样具有棱镜的作用。遇见水滴的光会发生折射并进入水滴的内部，当从水滴内部反射到外部时，光会再发生折射。如此，空气中的水滴刚好就发挥了与棱镜相同的“分散”功能，进而各种连续的带状颜色的光，就出现在我们的眼前，没错，这也就是彩虹。

       另外，仔细观察彩虹的周边你可以发现，其外侧还有一条颜色顺序反过来的彩虹（副虹）。副虹则是水滴中发生2次反射的光进入人们视线而出现的。

雨后空中飘现的彩虹

       光的这些特性，让世界在我们眼中充满了奇妙的色彩和形状，不过这都是它和物质发生作用后产生的样子，那光本身的“姿态”到底是什么样的呢？除了我们肉眼可见的光以外，在这个大家族中还有着什么样的神秘成员？