本帖最后由 twq19810302 于 2022-12-20 10:44 編輯 4 P' J" s. M0 I. z: t* H% h
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先做一個開篇提問：用一支激光筆射向夜空中,，當你關閉開關的瞬間，先前射出去的那束激光還會在宇宙中傳播嗎,？（文末解答） ) {1 P1 M1 j) W* q8 s4 v
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,？
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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)學家皮埃爾·伽森荻(Pierre Gassendi)提出物體是由大量堅硬粒子組成的。
# W3 z& b2 A) U4 e. t. x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,，認為光是從光源發(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,。
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光粒子說示意圖
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光的反射現(xiàn)象
( G5 V' {' X, n. `4 X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,。 3 K1 h6 n' q+ n3 b* V
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同時折射與反射 % _+ o9 C/ O) q/ @7 b
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互不干涉現(xiàn)象
; e. h: _. x5 S; z不是粒子那是什么呢,？ 1 ?5 o3 F3 {% ? o2 [6 y
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30年代,英國科學家法拉第提出了“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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! M+ G) y* ] c! n" ^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,。 " O6 E, g- ~+ j- Z6 c3 K
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,。
2 s. F- [4 A% ~* j' P磁鐵的磁力線 ( r Z7 a$ F a0 s' C5 Y
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。 - L+ A: u$ f0 t6 T6 J G! Z
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關于物質(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的總和。分子電流與導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,。 / X b' M2 R( ?; H3 D6 d% @' x% k
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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去，就形成了水波向遠方傳播開,，你在湖東岸扔的石頭,，最終水波會傳到湖的西岸,。
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: h7 @8 ~4 D& I- B- n電磁場的向外傳播就形成了電磁波,。電和磁能相互轉化,，按中學物理教科書的說法,，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,。 $ X6 y# [! W( {) c7 W! L/ c2 R
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電磁波示意圖
; ~; w( J, k: g! O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,。 + ^& K. I8 a6 W; G: s: ]% ~* D
7 k5 I, L* W$ R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。
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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 ' e2 T% j* `1 j/ j. r2 Q7 @
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。 3 k: S" S* M. E- u1 }+ b! V7 m
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/ {8 o9 t {( L5 ?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,，而是通過熱窩結構,，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,。
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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,。
8 n8 I% A! i4 f. b& u1 p. j& Y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,？
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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，金屬容易成為導體說明其中的電子比較容活躍,，當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。 8 U( y. |4 n- L
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$ b. }9 p( b$ `金屬都是以金屬鍵結合而成的金屬晶體,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,、鉛為淡藍以外)都呈現(xiàn)銀白色光澤,。 0 ?& w% ^/ U$ }# D
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。 & q# ]0 X* o' Y$ T/ @3 g
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,。 2 ^5 c5 P9 a6 r$ D( O
8 J: h0 J, L$ L2 M" SX光照片
3 C* j+ ^% P5 x; d0 o2 j5 V) f/ g/ ?因此,，假設存在一種射線，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,。
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有透明的金屬嗎,？ % `( s8 l, D2 q8 o
目前有一種材料，兼具透明和導電的特質(zhì),，常被應用于手機和平板電腦屏幕,，這種材料就是ITO，即氧化銦錫,。 ) {5 Z8 t( S; B! @0 p
氧化銦錫是一種半導體,。半導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,，半導體中的電子需要吸收更多能量才能完成躍遷。 " W& ?/ e4 N8 j: w1 P7 o, }9 Y
為了在高空防止風擋結霜,，客機風擋上會涂抹一層氧化銦錫薄膜,。氧化銦錫既能導電又透明。
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3 z5 Z& g: N+ f9 A/ `: r; B! V氧化銦錫薄膜在可見光下出現(xiàn)干涉彩虹 - _1 D" z& U! X" a& U
光電效應 $ i1 j" b) w/ Y; h! B7 p
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圖片是中國空間站上的太陽能帆板,，是把光變成電的裝置,。光電效應是物理學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,。科學家們在研究光電效應的過程中,，物理學者對光子的量子性質(zhì)有了更加深入的了解,，這就導致光只是電磁波的說法受到了挑戰(zhàn)。
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讓科學家絕望的光雙縫干涉實驗
/ z' U$ }9 X$ O+ }9 g光電效應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。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,。 0 L. E) e, U5 o; Y$ ^2 F/ { o
光電效應說明了光具有粒子性,。相對應的，光具有波動性最典型的例子就是光的干涉和衍射,。到這里科學家只能認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, 波長越短, 能量越高,。當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,。 ( W0 q, \7 I9 q, a
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)。 Y" D, P. k5 s3 N6 A# C
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,。 , b) T, X# M3 @/ k3 X
太陽光帆飛船 - |+ @1 y/ n! E; D& f5 ]: b
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，路如果轉彎了,，車也一定會轉彎,。 * Q9 O$ w* W4 ?- h- [/ o8 P
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% W7 A6 C7 F. H8 Y引力陷阱
9 p! L2 }5 X$ J( O* _' \% i3 @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,，當你關閉開關的瞬間，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,。 ( w5 W7 Z- Y3 |+ _' j$ f3 t
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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