本帖最后由 twq19810302 于 2022-12-20 10:44 編輯
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先做一個開篇提問：用一支激光筆射向夜空中,，當(dāng)你關(guān)閉開關(guān)的瞬間,，先前射出去的那束激光還會在宇宙中傳播嗎,？（文末解答）
9 L$ b6 r* G$ k/ p9 @5 ?% w光的本質(zhì)是什么,？ 為什么同樣一束光可以穿過玻璃，卻不能穿過我們的身體或者墻壁,，光在穿過玻璃而過的過程中,，玻璃里發(fā)生了什么？鏡子為什么可以反射光,？光子沒有質(zhì)量,，為什么光會產(chǎn)生光壓？沒有質(zhì)量的光又為什么會被黑洞吸引,？光照射在太陽能板上為什么會產(chǎn)生電流,？ ( h, G2 p+ d# y5 ]- w" a: M
這一連串的為什么或許我們沒有去了解過，今天我們就來探究一下,，光到底是什么,？
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光粒子說 1638年，法國數(shù)學(xué)家皮埃爾·伽森荻(Pierre Gassendi)提出物體是由大量堅硬粒子組成的。
5 |& F6 L# C! S) ^并在1660年出版的他所著的書中涉及到了他對于光的觀點,。他認(rèn)為光也是有大量堅硬粒子組成的,。牛頓隨后對于伽森荻的這種觀點進(jìn)行研究，他根據(jù)光的直線傳播規(guī)律,，最終于1675年提出假設(shè),，認(rèn)為光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻媒質(zhì)中以一定的速度傳播,。微粒說很容易解釋光的直進(jìn)性,，也很容易解釋光的反射，因為粒子與光滑平面發(fā)生碰撞的反射定律與光的反射定律相同,。 6 g6 J4 R! r4 z5 D
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光粒子說示意圖
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光的反射現(xiàn)象
% _ j+ P, u9 C1 _然而微粒說在解釋一束光射到兩種介質(zhì)分界面處會同時發(fā)生反射和折射,，以及幾束光交叉相遇后彼此毫不妨礙地繼續(xù)向前傳播等現(xiàn)象時，卻發(fā)生了很大困難,。 ! s) E% D, _1 z% Z; k
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同時折射與反射 * W# w) E, {* x% q1 G) J( h+ H% @
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互不干涉現(xiàn)象
' C2 P& x2 p1 F2 R不是粒子那是什么呢,？
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電場 帶電體周圍存在著一種特殊物質(zhì)，那就是電場,。記住,，它是一種物質(zhì)，是一種特定的存在,，是用眼看不到的,，但可以感覺得到的存在。不信的話,，可以伸手試試,！比如下圖的靜電場。我們用眼睛看不到,，但是我們的頭發(fā)卻很“誠實”,。
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19世紀(jì)30年代,英國科學(xué)家法拉第提出了“電荷的周圍存在著由它產(chǎn)生的電場”這一觀點，隨后物理學(xué)理論和實驗不僅證實了法拉第的這一觀點,，而且證明了電場是一種客觀存在的物質(zhì)形式,。電場是看不見、摸不著的,，為了形象地描述電場中各點電場強度的大小和方向,，法拉第還引入了電場線的概念。
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對比一下上圖,，我們的頭發(fā)是不是形象地詮釋了電場線的存在,？
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電場這種物質(zhì)不是由微觀粒子構(gòu)成的，它既不是分子,，也不是原子,，但它確實是存在的,，不但有大小，而且有方向,。若把一個帶電的粒子放在它的周圍,，帶電粒子就會受到力的作用，這個力就是電場力,。 * L! Q3 V9 U! J1 u2 X7 Q
磁場 磁場是一個物理概念,，是指傳遞實物間磁力作用的場。磁場是由運動著的微小粒子構(gòu)成的,，在現(xiàn)有條件下看不見,、摸不著。磁場具有粒子的輻射特性,。磁體周圍存在磁場,，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用在物理層面接觸就能發(fā)生作用,。
9 d4 ?& ~( W5 u$ P o' m磁鐵的磁力線
6 P! [5 |8 F0 S- K5 A% Z, W磁鐵為什么會產(chǎn)生磁場,？簡單的說就是磁鐵這種物質(zhì)的每個四氧化三鐵分子所產(chǎn)生的分子電流在整體上是高度有序的，導(dǎo)致整塊磁鐵產(chǎn)生了磁性,。 分子電流又稱“安培電流”,。分子或原子中由電子運動所形成的電流�,？捎靡哉f明物質(zhì)的磁性,。 z5 v# x+ Q/ Y/ Q j8 `5 z }/ a0 G
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2 k3 c+ E3 }: M7 j0 V0 d關(guān)于物質(zhì)磁性本質(zhì)的假說,。由安培于1821年提出,。他觀察到通電螺線管有像磁體一樣的作用，認(rèn)為一切磁現(xiàn)象的根源是電流的存在,。磁性物質(zhì)的分子中存在著回路電流,，稱為分子電流，分子電流相當(dāng)于基元磁體,。物質(zhì)的磁性就決定于物質(zhì)中分子電流對外界的磁效應(yīng)的總和,。分子電流與導(dǎo)線中通過的宏觀電流是有本質(zhì)區(qū)別的，安培的假說把永磁體產(chǎn)生的磁場與宏觀電荷運動產(chǎn)生的磁場統(tǒng)一了起來,。安培的假說與現(xiàn)代對物質(zhì)磁性的理解是相當(dāng)符合的,，所以仍被采用。根據(jù)安培假說,，基元磁體兩個磁極對應(yīng)于圓形電流的兩個面,，顯然這兩個面是不能單獨存在的，由此很容易解釋磁體的N,、S兩極不能單獨存在的原因,。 * c' Z! e g5 ^0 E
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8 \. `. [, _4 z! m' s電磁場與電磁波 我們知道了電場,，也知道了磁場，這兩個東西在一起就創(chuàng)造了一個叫電磁場的東西,。打個比方,，電磁場就像一汪平靜的湖水，突然有人扔了一顆石頭進(jìn)去,，就形成了水波向遠(yuǎn)方傳播開,，你在湖東岸扔的石頭，最終水波會傳到湖的西岸,。 2 _( S. c) s* F
. q. [( Y# ?8 t電磁場的向外傳播就形成了電磁波,。電和磁能相互轉(zhuǎn)化，按中學(xué)物理教科書的說法,，即是交變的電場能產(chǎn)生磁場,，交變的磁場又能產(chǎn)生電場。讓我們想象一下,，電場產(chǎn)生磁場,，磁場產(chǎn)生電場，然后電場又產(chǎn)生磁場,，無限循環(huán)下去,，電場和磁場就會以波的形式向外傳播出去。
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0 z. P. M- H4 L' Z電磁波示意圖 : x. |1 F" V% @- ?% A) _: ]+ a
電磁場包含電場與磁場兩個方面,，分別用電場強度E（或電位移D）及磁通密度B（或磁場強度H）表示其特性,。按照麥克斯韋的電磁場理論，這兩部分是緊密相依的,。電磁波的傳播速度與光速相等,。 2 ~9 [$ c( d+ W& N0 o
0 d. C3 Q0 W# d7 A+ N8 Q v電磁波是能量傳播形式的一種，凡是高于絕對零度的物體,，都會釋出電磁波,。且溫度越高，放出的電磁波波長就越短,。 6 p8 S& R& O7 r
光是電磁波的一種 寫到這里,，我們揭秘光的其中一種比較主流的解釋，光屬于一種電磁波,。只是我們?nèi)祟惗x頻率在380~750兆赫,，波長在390nm - 780nm（納米）之的電磁波叫做可見光，而對于動物來說,，它們眼中的光和我們大不同,。
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電磁波譜表-可見光波譜 ( |* U8 [' I0 N+ R1 y" `/ d
比如動物中的北美馴鹿就是能看到紫外線的佼佼者。它們眼中的蘑菇可能是這個樣子的,。 - R- v$ t6 O1 i2 S+ r% B# ]
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, {' F9 H) V; @; p5 Q% L# m馴鹿每年都會遷徙,，在遷徙過程中,，他們依靠紫外線，分辨地衣,，地衣是他們遷徙途中的主要食物,。利用紫外線，他們還能分辨出食肉動物的尿液和白雪,，因為尿液吸收紫外線,，而白雪反射紫外線，這使得馴鹿可以避免偶遇食肉動物,。再比如蛇,，它們能感知紅外線，并非通過眼睛,，而是通過熱窩結(jié)構(gòu),，然后在大腦中AI出獵物的紅外影像再與視網(wǎng)膜圖像疊加。
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而對于短波收音機來說,，它們“看到”的“光”是波長10~100米的電磁波,。而假設(shè)人類眼睛能看到4G發(fā)射臺發(fā)出的電磁波，我們站在高處將會看到這樣的景象,。 1 {% v2 R! ~% _/ O3 Y1 ~6 N* S8 x
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8 ^, [0 n* w+ i# y$ @ h: Y5 {# G; w如果光是電磁波的一種,，那么來解釋一下玻璃為什么是透明的？這個問題應(yīng)該問成,，玻璃這種材質(zhì)在可見光范圍內(nèi)看起來為什么是透明的,？因為有些電磁波在穿過鋼化玻璃時信號會衰減得很厲害，那么對這些波段來說,，玻璃就不是透明的,，而是類似毛玻璃的效果。
# Q9 d. d. O% t6 d! T9 M, R- u% o鏡子的制造原理其實很簡單,，就是在透明的玻璃表面鍍一層不透明的金屬膜（現(xiàn)代制鏡通常是鍍銀）,，使其表面能夠成像,。那么,，為什么玻璃透明而金屬不透明呢？
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簡單來說,，玻璃之所以透明是因為它無法吸收可見光,，而金屬不透明是因為它吸收了可見光。這個道理聽起來很容易理解,，那么,，決定物質(zhì)能否吸收可見光的因素是什么呢？ ! Q% X- Q' W: j" m' U9 a9 P
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: `( F+ ~: V+ e# P7 U可見光作為一種電磁波,，本身是含有能量的,，因此,，物質(zhì)原子中的電子可以借助可見光的能量進(jìn)行躍遷。不過躍遷能否成功,，還要取決于這種物質(zhì)中電子的活躍度,。比如金屬，金屬容易成為導(dǎo)體說明其中的電子比較容活躍,，當(dāng)可見光照射到金屬表面,，其中所含的能量馬上被金屬中的電子吸收，光線能量迅速衰減,，使得金屬看起來不透明,。而玻璃是絕緣體，說明其中的電子不活躍,，所以光波的能量不會被電子吸收,。就從玻璃介質(zhì)中傳播過去了。 5 X) f% s+ e( _7 }4 p
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/ ~3 i* v9 ^" J9 h金屬都是以金屬鍵結(jié)合而成的金屬晶體,金屬原子以最緊密堆積狀態(tài)排列,金屬內(nèi)部有自由電子,它的運動范圍是整塊金屬,當(dāng)白光照到金屬表面時,自由電子能吸收所有波長的光,隨即又反射出來,因此絕大多數(shù)金屬(除金呈黃色,、銅呈赤紅,、銫呈淺黃、鉍為淡紅,、鉛為淡藍(lán)以外)都呈現(xiàn)銀白色光澤,。
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不過，金屬的這種不透明,，是基于可見光的能量條件（不同波長的電磁波能量也不同）,。如果改變這個條件，情況就會發(fā)生變化,。 我們知道,，可見光是電磁波中波長范圍在400～800nm的部分。除了可見光,，電磁波中還有其他為我們所熟知的部分,，比如微波爐所使用的微波，其波長范圍是1mm~1m,；還有醫(yī)院用來檢查身體的X射線,，其波長范圍是0.01～10nm。 1 Y3 o" j' @ ~
在可見光狀態(tài)下,，我們的身體是不透明的,，我們不能透過皮膚和肌肉看清體內(nèi)的骨骼和器官；但是在X射線條件下,，肌肉和骨骼吸收X射線的能力不同,，我們可以通過X射線，清楚地看到骨骼和器官,。
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7 W: `) S& G9 W7 ]3 K, ]X光照片 - m' y( N M. Y R D8 u' {
因此,，假設(shè)存在一種射線,，連金屬中電子躍遷所需的最低能量都無法達(dá)到。那么,，在這種射線條件下,，金屬就是透明的。或者我們也可以嘗試把金屬打磨到無限薄,，薄到其中的電子含量可以忽略不計,。在這種情況下，金屬吸收的能量非常有限,，即便受到可見光的照射,，看起來也有可能是透明的。 , r0 Y% J! o' H/ n& _+ _
有透明的金屬嗎,？
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目前有一種材料,，兼具透明和導(dǎo)電的特質(zhì)，常被應(yīng)用于手機和平板電腦屏幕,，這種材料就是ITO,，即氧化銦錫。 ; c( Y7 ?; |3 u' `
氧化銦錫是一種半導(dǎo)體,。半導(dǎo)體中的能帶不是連續(xù)的,，能帶和能帶之間存在著能量差異。因此,，與金屬中的電子相比,，半導(dǎo)體中的電子需要吸收更多能量才能完成躍遷。
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為了在高空防止風(fēng)擋結(jié)霜,，客機風(fēng)擋上會涂抹一層氧化銦錫薄膜,。氧化銦錫既能導(dǎo)電又透明。 : f6 w7 h, _4 U5 l/ _0 k+ e8 n# Z
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氧化銦錫薄膜在可見光下出現(xiàn)干涉彩虹
7 X; O! Q; y* U% S# k光電效應(yīng) 2 z; U' y) `6 t) Q- y
+ p& z. ]% O) T! `* i/ D6 e5 _7 O) n圖片是中國空間站上的太陽能帆板,，是把光變成電的裝置,。光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個重要而神奇的現(xiàn)象。在高于某特定頻率的電磁波照射下,，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子吸收能量后逸出而形成電流,，即光生電。光電現(xiàn)象由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn),，而正確解釋這一現(xiàn)象的人是愛因斯坦,。科學(xué)家們在研究光電效應(yīng)的過程中,，物理學(xué)者對光子的量子性質(zhì)有了更加深入的了解，這就導(dǎo)致光只是電磁波的說法受到了挑戰(zhàn),。
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: ~/ `4 \6 ^ k5 \: ^8 {" k讓科學(xué)家絕望的光雙縫干涉實驗 3 }; p, o& l* G) X
光電效應(yīng)里電子的射出方向不是完全定向的,，只是大部分都垂直于金屬表面射出,，與光照方向無關(guān)。光是電磁波,，但是光是高頻震蕩的正交電磁場,，振幅很小，不會對電子射出方向產(chǎn)生影響,。 ; t+ |- W3 g9 c7 i
光電效應(yīng)說明了光具有粒子性,。相對應(yīng)的，光具有波動性最典型的例子就是光的干涉和衍射,。到這里科學(xué)家只能認(rèn)為光同時具有粒子性也同時具有波動性,。稱為光的波粒二象性。
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光的最新解釋-光量子說 光量子假說的主要觀點：光子是光線中攜帶能量的粒子,。一個光子能量的多少與波長相關(guān), 波長越短, 能量越高,。當(dāng)一個光子被物體的分子吸收時,就有一個電子獲得足夠的能量從而從內(nèi)軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的分子就從基態(tài)變成了激發(fā)態(tài)。光子具有能量,，也具有動量,，更具有質(zhì)量，按照質(zhì)能方程,，E=MC^2=HV, 由于光子無法靜止,，所以它沒有靜態(tài)質(zhì)量，而具有相對論質(zhì)量,。
: M: q, s m' f2 m! o光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子,，是一種規(guī)范玻色子。光子是電磁輻射的載體,，而在量子場論中光子被認(rèn)為是電磁相互作用的媒介子,。與大多數(shù)基本粒子相比，光子的靜止質(zhì)量為零,，這意味著其在真空中的傳播速度是光速,。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子能夠表現(xiàn)出經(jīng)典波的折射,、干涉,、衍射等性質(zhì)；而光子的粒子性則表現(xiàn)為和物質(zhì)相互作用時不像經(jīng)典的粒子那樣可以傳遞任意值的能量,，光子只能傳遞量子化的能量,。對可見光而言，單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳,，這樣大小的能量足以激發(fā)起眼睛上感光細(xì)胞的一個分子,，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動量和偏振態(tài),，但單個光子沒有確定的動量或偏振態(tài),。
+ D6 F( h* T5 X$ D9 [0 }5 \光沒有靜態(tài)質(zhì)量，但是有相對質(zhì)量,，所以光可以產(chǎn)生光壓,。太陽光帆飛船就是這個原理。
# K, \, y- v# Q' D( G: a- W太陽光帆飛船
0 U; e) \( i0 V& q2 U( r光沒有質(zhì)量為什么會被引力彎曲,，甚至逃不出黑洞,？因為光所傳播的場被引力彎曲了，所以光就跟著彎曲了,，光好比在公路上奔馳的汽車,，路如果轉(zhuǎn)彎了，車也一定會轉(zhuǎn)彎,。 + r" ?. u2 M `5 H" _
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引力陷阱 7 T, s j: @9 p% n; h
梵觀點：今天寫的有點多,，因為光到目前為止人們都沒有完全搞懂它的本質(zhì)。開篇的問題“用一支激光筆射向夜空中,，當(dāng)你關(guān)閉開關(guān)的瞬間,，先前射出去的那束激光還會在宇宙中傳播嗎？”回答是：按光量子說,，會存在的,，并且一直在宇宙中傳播，直到被其他星體或者物質(zhì)吸收了,。
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比如我們現(xiàn)在的夜空,，很多光線是從百億光年外傳到地球的，現(xiàn)在那個地方,，那顆星星可能早已經(jīng)不在了,，但是連續(xù)發(fā)出來的光還一直都在！
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發(fā)表于 2022-12-20 10:42:00
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