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光的奧秘:什么是光?

作者:    發(fā)布時間:2021-01-18

在我們?nèi)粘I钪校饪芍^是無處不在,光在人類史乃至整個地球文明都起著至關重要的作用。

 

如果沒有光,就沒有白天而只有黑夜,很多植物將無法生存,無法進行光合作用產(chǎn)生氧氣,而有氧呼吸的動物便不會出現(xiàn),人類也就不會在地球上誕生。如果沒有光,整個世界都將變得極度寒冷,沒有一絲溫暖。

 

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我們都知道光是我們生活中不可或缺的,那么什么是光,光又是如何產(chǎn)生的呢?

 

1. 光為何物

 

首先,光是一種電磁波,這個幾乎大家都知道。在我們?nèi)粘I罨蛘呶膶W中,光還意味著光明,也就是說,光是可以看見的,是明亮的,即在日常生活中我們認為的光就是可見光。

 

 

光作為一種波是有頻率和波長的,我們能夠看見的光即可見光的波長范圍在400nm-700nm之間。可見光的顏色被我們劃分為紅橙黃綠青藍紫七種顏色,從紅到紫光的波長逐漸減小。

 

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當電磁波的波長大于紅光的波長(700nm)或小于紫光的波長(400nm)時,人類的肉眼就看不見了,這是由于我們?nèi)祟惖囊曞F細胞的能力所決定的,我們只能看到這個波長范圍內(nèi)的電磁波,而有的生物可以看到這個范圍之外的電磁波。如蛇可以看到紅外線,蜜蜂可以看到紫外線,這些都是我們?nèi)祟愃床灰姷摹?/span>

 

其實在物理學中,任何波長范圍內(nèi)的電磁波都叫做光。也就是說,我們認識的伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波以及無線電波等都可以稱之為光。它們在真空中都以相同的速度299,792,458m/s傳遞著,并且都沿直線傳播。

 

光具有波粒二象性,也就是說,光不僅僅是波,它還是粒子。愛因斯坦提出,光在吸收和發(fā)射能量時是一份一份傳輸?shù)?,光本身也是由一份一份不可再分割的能量子組成的,而這些能量子則被稱為光子,也就是說光子就是光的粒子,我們出去沐浴陽光以及綠色植物的光合作用吸收的便是光子。

 

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在市面上我們會經(jīng)??吹胶芏嗝廊莸墓鈱W儀器都貼上“光子”“光量子”的一些標簽以此來顯得高大上,從而忽悠顧客,其實這些都只是光的固有屬性,而并非是廠家發(fā)明了另外一種東西,這么叫只是為了吸引顧客。 

 

2. 光是如何產(chǎn)生的

 

一個物體只要有一定的溫度便會產(chǎn)生電磁波輻射,也就是物理學上的光輻射,光輻射可以理解為光子發(fā)射和傳遞的過程。在地球上,我們最主要的光輻射來源便是太陽,而在太陽中,我們接收到的能量基本是太陽的光球層發(fā)出來的。

 

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在太陽的光球層,溫度大約為6000攝氏度,在那里的粒子基本都是等離子體,也就是說那里的原子都被電離成了原子核和電子。當高能態(tài)的自由電子進入到原子核的能級中時,自由電子的能量降低,而電子失去的這部分能量則以光子的形式釋放出來(能量守恒)。

 

不同能量的光子具有不同的頻率,也即光子的頻率和光子的能量是一一對應的。在上面我們講到不同顏色的光有著不同的波長,由于光速是不變的,而光速又等于波長乘以頻率。所以說波長越短頻率就越高,光子能量就越大。也就是說,紅橙黃綠青藍紫的光波長依次減小,光子頻率依次增大,光子能量也依次增大。

 

由于不同的自由電子通常具有不同的能量,當自由電子進入原子核能級中釋放出來的能量較大時,那么對應所發(fā)出的光子能量也大,所以當一系列的具有不同能量的自由電子都經(jīng)歷此狀況時便會發(fā)出五顏六色的可見光以及我們不能看到的電磁波。

 

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從上圖中可以看到,太陽輻射到地球表面的能量可見光約占接近一半(44%),而紅外線占了也較多,約40%,剩余的為伽馬射線、X射線、紫外線、微波以及無線電波等。

 

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除了太陽,在我們生活中產(chǎn)生光比較普遍的還有白熾燈。白熾燈的發(fā)光原理也類似,即通電后電子能量升高,高能態(tài)的電子不穩(wěn)定會躍遷到低能態(tài),在這個過程中失去的能量以光子的形式釋放。與太陽不同的是,白熾燈產(chǎn)生的光只有10%的能量是可見光,而剩下的為紅外線。也就是說你用十度的電,只有一度是用來照明的,剩下的部分都變成熱量耗散掉了。

 

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另外產(chǎn)生光比較多的還有火焰,火焰在燃燒的過程中也是發(fā)生了電子的能級躍遷,產(chǎn)生了發(fā)光的化學反應。和白熾燈類似,火焰的發(fā)光效率也不高,而大部分的能量以熱量的形式釋放,蠟燭的照明效果比白熾燈還更差一些。

 

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除了上述一些傳統(tǒng)的光源,隨著我們對發(fā)光原理和技術掌握的越來越成熟,如今LED燈、激光等人工技術也逐漸成為了一種普遍的光源,相比于白熾燈而言,LED燈具有更高的可見光發(fā)光效率以及更低的能耗。