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光(人眼可见电磁波谱(波粒二象性))

光是一个物理学名词,其本质是一种处于特定频段的光子流。光源发出光,是因为光源中电子获得额外能量。如果能量不足以使其跃迁(jump)到更外层的轨道,电子就会进行加速运动,并以波的形式释放能量;反之,电子跃迁。如果跃迁之后刚好填补了所在轨道的空位,从激发态到达稳定态,电子就不动了;反之,电子会再次跃迁回之前的轨道,并且以波的形式释放能量。

简单地说,光是沿直线传播的。在广义相对论中,由于光受到物体强引力场的影响,光的传播路径被发生相应的偏折。

19世纪物理学界的巨人之一苏格兰物理学家詹姆士克拉克麦克斯韦(J. C. Maxwell)的研究成果问世,物理学家们才对光学定律有了确定的了解。从某些意义上来说,麦克斯韦正是迈克尔法拉第(Michael Faraday)的对立面。法拉第在试验中有着惊人的直觉却完全没有受过正式训练,而与法拉第同时代的麦克斯韦则是高等数学的大师。他在剑桥大学上学时擅长数学物理,在那里艾萨克牛顿于两个世纪之前完成了自己的工作。

牛顿发明了微积分。微积分以“微分方程”的语言来表述,描述事物在时间和空间中如何顺利地经历细微的变化。海洋波浪、液体、气体和炮弹的运动都可以用微分方程的语言进行描述。麦克斯韦抱着清晰的目标开始了工作用精确的微分方程表达法拉第革命性的研究结果和他的立场。

麦克斯韦从法拉第得出的电场可以转变为磁场且反之亦然这一发现着手。他采用了法拉第对于力场的描述,并且用微分方程的精确语言重写,得出了现代科学中最重要的方程组之一。它们是一组8个看起来十分艰深的方程式。世界上的每一位物理学家和工程师在研究生阶段学习掌握电磁学时都必须努力消化这些方程式。

随后,麦克斯韦向自己提出了具有决定性意义的问题:如果磁场可以转变为电场,并且反之亦然,那若它们被永远不断地相互转变会发生什么情况?麦克斯韦发现这些电磁场会制造出一种,与海洋波十分类似。令他吃惊的是,他计算了这些波的速度,发现那正是光的速度!在1864年发现这一事实后,他预言性地写道:“这一速度与光速如此接近,看来我们有充分的理由相信光本身是一种电磁干扰。”

这可能是人类历史上最伟大的发现之一。有史以来第一次,光的奥秘终于被揭开了。麦克斯韦突然意识到,从日出的光辉、落日的红焰、彩虹的绚丽色彩、天空中闪烁的星光再到五颜六色的人造光,都可以用他匆匆写在一页纸上的波来描述。今天我们意识到整个电磁波谱从电视天线、红外线、可见光、紫外线、X射线、微波和γ射线都只不过是麦克斯韦波,即振动的法拉第力场。

根据广义相对论,光在路过强引力场时,光线会扭曲。

光具有波粒二象性 [1]

正在发光的物体叫光源,“正在”这个条件必须具备,光源可以是天然的或人造的。物理学上指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光紫外线红外线、X射线等不可见光)的物体。

光源主要可以分为三类。

第一类是热效应产生的光。太阳光就是很好的例子,因为周围环境比太阳温度低,为了达到热平衡,太阳会一直以电磁波的形式释放能量,直到周围的温度和它一样。

第二类是原子跃迁发光。荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光。此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的特征谱线。科学家经常利用这个原理鉴别元素种类。

第三类是物质内部带电粒子加速运动时所产生的光。譬如,同步加速器(synchrotron)工作时发出的同步辐射光,同时携带有强大的能量。另外,原子炉(核反应堆)发出的淡蓝色微光(切伦科夫辐射)也属于这种。

科学光

光是一种肉眼可以看见(接受)的电磁波可见光谱)。在科学上的定义,光有时候是指所有的电磁波。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性,或称为波粒二象性

光可以在真空、空气、水等透明的介质中传播。光的速度:真空中的光速是目前宇宙中已知最快的速度,在物理学中用c表示。

光在真空中1s能传播299792458m。也就是说,真空中的光速 为c=2.99792458×108m/s。在其他各种介质的速度都比在真空中的小。空气中的光速大约为2.99792000×108m/s。在我们的计算中,真空或空气中的光速取为c=3×108m/s.(最快,极限速度)光在水中的速度比真空中小很多,约为真空中光速的3/4;光在玻璃中的速度比在真空中小的更多,约为真空中光速的2/3。如果一个飞人以光速绕地球运行,在1s的时间内,能够绕地球运行7.5圈;太阳发出的光,要经过8min到达地球,如果一辆1000km/h的赛车不停地跑,要经过17年的时间才能跑完从太阳到地球的距离。

人类肉眼所能看到的可见光只是整个电磁波谱的一部分。电磁波之可见光谱范围大约为390~760nm(1nm=10-9m=0.000000001m)。

光分为人造光(如激光)和自然光(如太阳光)。

自身发光的物体称为光源,光源分冷光源热光源。如图为人造光源。有实验证明光就是电磁辐射,这部分电磁波的波长范围约在红色光的0.77(μm)微米到紫色光的0.39μm之间。波长在0.77μm以上到1000μm左右的电磁波称为“红外线”。在0.39μm以下到0.04μm左右的称“紫外线”。红外线和紫外线不能引起视觉,但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域,甚至X射线均被认为是光,而可见光的光谱只是电磁光谱中的一部分。

人眼对各种波长的可见光具有不同的敏感性。实验证明,正常人眼对于波长为555nm(纳米)的黄绿色光最敏感,也就是这种波长的辐射能引起人眼最大的视觉,而越偏离555nm的辐射,可见度越小。

光具有波粒二象性。我们既可以把光看作是一种频率很高的电磁波,也可以把光看成是一个粒子,即光量子,简称光子

光速取代了保存在巴黎国际计量局的铂制米原器被选作定义“米”的标准,并且约定光速严格等于299,792,458m/s,此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。后来,随着实验精度的不断提高,光速的数值有所改变,米被定义为(1/299,792,458)s内光通过的路程,光速用c来表示。

光是地球生命的来源之一。光是人类生活的依据。光是人类认识外部世界的工具。光是信息的理想载体或传播媒质

据统计,人类感官收到外部世界的总信息中,至少80-以上通过眼睛。

当一束光投射到物体上时,会发生反射、折射、干涉以及衍射等现象。

光线在均匀同种介质中沿直线传播。

光波,包括红外线,它们的波长比微波更短,频率更高,因此,从电通信中的微波通信向光通信方向发展,是一种自然的也是一种必然的趋势。

普通光:一般情况下,光由许多光子组成。在荧光(普通的太阳光、灯光、烛光等)中,光子与光子之间,毫无关联。即波长不一样、相位不一样,偏振方向不一样、传播方向不一样,就像是一支无组织、无纪律的光子部队,各光子都是散兵游勇,不能做到行动一致。

光遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面都会发生反射(reflection)。垂直于镜面的直线叫做法线入射光线与法线的夹角叫做入射角反射光线与法线的夹角叫做反射角。在反射现象中,反射光线、入射光线和法线都在同一个平面内;反射光线、入射光线分居法线两侧;反射角等于入射角。这就是光的反射定律(reflection law)。如果让光逆着反射光线的方向射到镜面,那么,它被反射后就会逆着原来的入射光的方向射出。这表明,在反射现象中,光路是可逆的。反射在在物理学中分为两种:镜面反射漫反射面反射发生在十分光滑的物体表面(如镜面)。两条平行光线能在反射物体上反射过后仍处于平行状态。凹凸不平的表面(如白纸)会把光线向着四面八方反射,这种反射叫做漫反射。大多数反射现象为漫反射。

光线从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向发生偏折,这种现象叫做光的折射(refraction)。折射光线与法线的夹角叫折射角。如果射入的介质密度大于原本光线所在介质密度,则折射角小于入射角。反之,若小于,则折射角大于入射角。若入射角为0,折射角为零,属于反射的一部分。但光折射还在同种不均匀介质中产生,理论上可以从一个方向射入不产生折射,但因为分不清界线且一般分好几个层次又不是平面,故无论如何看都会产生折射。如从在岸上看平静的湖水的底部属于第一种折射,但看见海市蜃楼属于第二种折射。凸透镜凹透镜这两种常见镜片所产生效果就是因为第一种折射。在折射现象中,光路是可逆的

激光

激光光束中,所有光子都是相互关联的,即它们的频率(或波长)一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致。激光就好像是一支纪律严明的光子部队,行动一致,因而有着极强的战斗力。这就是为什么许多事情激光能做,而阳光、灯光、烛光不能做的主要原因。 [2]

光的色散

复色光分解为单色光的现象叫光的色散牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到光的色散,把白光分解为彩色光带(光谱)。色散现象说明光在介质中的折射率n(或传播速度v=c/n)随光的频率而变。光的色散可以用三棱镜.衍射光栅,干涉仪等来实现。

白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各种色光组成的复色光。红、橙、黄、绿等色光叫做单色光

复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。复色光进入棱镜后,由于它对各种频率的光具有不同折射率,各种色光的传播方向有不同程度的偏折,因而在离开棱镜时就各自分散,形成光谱。

介质折射率随光波频率或真空中的波长而变的现象。当复色光在介质界面上折射时,介质对不同波长的光有不同的折射率,各色光因折射角不同而彼此分离。1672年,牛顿利用三棱镜将太阳光分解成彩色光带,这是人们首次作的色散实验。通常用介质的折射率n色散率dn/dλ与波长λ的关系来描述色散规律。任何介质的色散均可分正常色散和反常色散两种。

复色光分解为单色光而形成光谱的现象

让一束白光射到玻璃棱镜上,光线经过棱镜折射以后就在另一侧面的白纸屏上形成一条彩色的光带,其颜色的排列是靠近棱镜顶角端是红色,靠近底边的一端是紫色,中间依次是橙、黄、绿、蓝、靛,这样的光带叫光谱。光谱中每一种色光不能再分解出其他色光,称它为单色光。由单色光混合而成的光叫复色光。自然界中的太阳光、白炽电灯和日光灯发出的光都是复色光。在光照到物体上时,一部分光被物体反射,一部分光被物体吸收。透过的光决定透明物体的颜色,反射的光决定不透明物体的颜色。不同物体,对不同颜色的反射、吸收和透过的情况不同,因此呈现不同的色彩。比如一个黄色的光照在一个蓝色的物体上,那个物体显示的是黑色。因为蓝色的物体只能反射蓝色的光,而不能反射黄色的光,所以把黄色光吸收了,就只能看到黑色了。但如果是白色的话,就反射所有的色。

光到底是什么?是一个值得研究,和必需研究的问题。当今物理学就已经又达到了一个瓶颈,即相对论与量子论的冲突。光的本质是基本微粒还是像声音一样的波(若是波又在什么介质中传播)对未来研究具有指导性作用。

比较合理的观点是光既是一种粒子同时又是一种波。光具有波粒二象性,就像水滴和水波的关系。 [1]

光的基本特性

光同时具备以下四个重要特征:

1、在几何光学中,光以直线传播。笔直的“光柱”和太阳“光线”都说明了这一点。

2、在波动光学中,光以波的形式传播。光就像水面上的水波一样,不同波长的光呈现不同的颜色。

3、光速极快。在真空中为3.0×108m/s,在空气中的速度要慢些。在折射率更大的介质中,譬如在水中或玻璃中,传播速度还要慢些。

4、在量子光学中,光的能量是量子化的,构成光的量子(基本微粒),我们称其为“光量子”,简称光子,因此能引起胶片感光乳剂等物质的化学变化。光线越强(Intensity=h*frequency of light*# of photon),所含的光子越多。

能源(清洁能源)、电子(电脑、电视、投影仪等)、通信(光纤)、医疗保健(γ光刀、光波房、光波发汗房、X光机)等。

光的研究历史和力学一样,在古希腊时代就受到注意,光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名,但在自然科学与宗教分离开之前,人类对于光的本质的理解几乎再没有进步,只是停留在对光的传播、运用等形式上的理解层面。( 另,历史告诉我们,古中国早在战国初期,墨学创始人墨子便发现了光的反射定律,建立了中国的光学体系。)十七世纪,对这个问题已经开始存在“波动学说”和“粒子学说”两种声音:荷兰物理学家惠更斯在1690年出版的《光论》一书中提出了光的波动说,推导出了光的反射折射定律,圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因,同时还解释了光进入冰洲石时所 产生的双折射现象;而英国物理学家牛顿则坚持光的微粒说,在1704年出版的《光学》一书中他提出,发光物体发射出以直线运动微粒子,微粒子流冲击视网膜就引起视觉,这也能解释光的折射与反射,甚至经过修改也能解释格里马尔迪发现的“衍射”现象。十九世纪,英国物理学家麦克斯韦引入位移电流的概念,建立了是电磁学的基本方程,创立了光的电磁学说,通过证明电微波在真空中传播的速度等于光在真空中传播的速度,从而推导出光和普通电磁波在本质上是相同的,即光是一定波长的电磁波。二十世纪,量子理论和相对论相继建立,物理学由经典物理学进入了现代物理学。

1905年美国物理学家爱因斯坦提出了著名的光电效应,认为紫外线在照射物体表面时,会将能量传给表面电子,使之摆脱原子核的束缚,从表面释放出来,因此爱因斯坦将光解释成为一种能量的集合光子。1925年,法国物理学家德布罗意又提出所有物质都具有波粒二象性的理论,即认为所有的物体都既是波又是粒子,随后德国著名物理学家普朗克等数位科学家建立了量子物理学说,将人类对物质属性的理解完全展拓了。综上所述,光的本质应该认为是“光子”,它具有波粒二相性。但这里的波的含义并不是如声波、水波那样的机械波,而是一种统计意义上的波,也就是说大量光子的行为所体现的波的性质。同时光具有动态质量,根据爱因斯坦质能方程可算出其质量。

关于光的本性的一种学说。17世纪曾为牛顿等所提倡。这种学说认为光由光源发出的微粒、它从光源沿直线行进至被照物,因此可以想像为一束由发光体射向被照物的高速微粒。这学说很直观地解释了光的直进及反射折射等现象,曾被普遍接受;直到19世纪初光的干涉等现象发现后,才被波动说所推翻。1905年爱因斯坦提出光是一种具有粒子性的实物(光子)。但这观念并不摒弃光具有波动性质。这种关于光的波粒二象性的认识,是量子理论的基础。

关于光的本性的一种学说。第一位提出光的波动说的是与牛顿同时代的荷兰人惠更斯。他在17世纪创立了光的波动学说,与光的微粒学说相对立。他认为光是一种波动,由发光体引起,和声一样依靠媒质来传播。这种学说直到19世纪初当光的干涉衍射现象被发现后才得到广泛承认。19世纪后期,在电磁学的发展中又确定了光实际上是一种电磁波,并不是同声波一样的机械波。1888年德国物理学家赫兹用实验证明了电磁波的存在,从此奠定了光的电磁理论。这一理论能够说明传播干涉衍射散射偏振等许多光现象。

光的干涉和衍射现象无可怀疑地证明了光是一种波,到19世纪中叶,光的波动说已经得到公认。但是,光是什么性质的波?难道像水波一样?像声波一样?光波的本质是什么,这个问题一直没有解决。那时候人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看成是在某种弹性介质里传播的振动。到了19世纪60年代,麦克斯韦预言了电磁波的存在,并且从理论上得出,电磁波在真空中的传播速度应为3.11×108m/s,而当时实验测得的光速为3.15×108m/s,两个数值非常接近。麦克斯韦认为这不是一种巧合,它表明光与电磁现象之间有本质的联系。由此他提出光在本质上是一种电磁波。这就是光的电磁说。到1886年,赫兹通过实验证实了电磁波的存在,并且测出了实验中的电磁波的频率和波长,从而计算出了电磁波的传播速度,发现电磁波的速度确实与光速相同,这样就证明了光的电磁说的正确性。

光的电磁说是说明光在本质上是电磁波的理论。电磁辐射不仅与光相同,并且其反射、折射以及偏振之性质也相同。由麦克斯韦的理论研究表明,空间电磁场是以光速传播。这一结论已被赫兹的实验证实。麦克斯韦,在1865年得出了结论:光是一种电磁现象。按照麦克斯韦的理论,c/v=√(εμ)。

式中c为真空中的光速。ν为在介电常数为ε和导磁系数为μ的介质中的光速。根据折射率的定义n=c/v,我们有n=√(εμ)。

这个关系式给出了物质的光学常数,电学常数和磁学常数之间的关系。当时从上述的公式中看不出n应随着光的波长λ而改变,因而无法解释光的色散现象。后来洛伦兹在1896年创立了电子论。从这一理论看,介电常数ε是依赖于电磁场的频率,即依赖于波长而变的,从而搞清了光的色散现象。光的电磁理论能够说明光的传播、干涉、衍射、色散、散射、偏振等许多现象,但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质,所以还需要近代的量子理论来补充。

1905年,爱因斯坦提出光是一种具有粒子性的实物(光子)。爱因斯坦提出光子的概念,由爱因斯坦光子假说发展成现代光子论(photon theory)的两个基本点是: (1) 光是由一颗一颗的光子组成的光子流。每个光子的能量为ε = 。由N个光子组成的光子流,能量为Nhυ(不计真空场零点能)。 (2) 光与物质相互作用,即是每个光子与物质微观粒子相互作用。根据能量守恒定律,约束得最不紧的电子在离开金属面时具有最大的初动能,所以对于电子应有:=(1/2)mv+W。上式即为光电效应方程W 代表电子脱离金属表面所需要的能量,称为功函数(work function)。

光电效应以及康普顿效应无可辩驳地证明了光是一种粒子,但是光的干涉和光的衍射又表明光确实是一种波。光到底是什么?光是一种波,同时也是一种粒子。光具有波粒二象性。这就是现代物理学的回答。

根据量子场论(或者量子电动力学),光子是电磁场量子化之后的直接结果。光的粒子性揭示了电磁场作为一种物质,是与分子原子实物粒子一样,有其内在的基本结构(组成粒子)的。而在经典的电动力学理论中,是没有“光子”这个概念的。

量子物理学中,光子是电磁场的微观组成单元,电磁场是大量光子的累积效应。就如同地球水份分布是大量水分子的累积效应。

光是电磁辐射的一种形式,而可见光仅仅是电磁辐射中的一小部分,其亮度和颜色能够被人眼所感知到。光就是人眼能够感知到的电磁辐射,其波长范围大约在380nm至760nm。可见辐射的光谱范围没有非常精确的界限,因为视网膜接收到的辐射功率以及观测者的视觉灵敏度存在一定的影响。

眼睛是一种光学系统,能够在视网膜上产生图像。它由各种不同的部分组成,包括角膜、水状体、虹膜、晶状体以及玻璃体等,使眼睛能够针对以105系数变化的照明水平简单而快速地做出反应。眼睛能够感知的最小照度为10-12Lx(相当于夜空中黯淡的星光)。

为了能够感知到光,人眼中包含了两种感光器:

* 锥状细胞使我们能够看到各种颜色(”明视觉”),波长555 nm的黄绿光谱区域,其灵敏度最高(天然光曲线V (l))。

* 灵敏度极高的杆状细胞使我们看到的是黑白的画面(”夜间视觉”),在波长l = 507 nm的绿光光谱区域,其灵敏度最高(夜间视觉曲线V’ (l))。

280 nm ~ 315 nm

注:光的色散是由于不同频率(波长)的光对同一透明介质的折射率不同,从而当一束复色光发生折射后,其折射角有所差异,从而使我们看到了不同颜色的光。详见太阳光谱。

超光速faster-than-light,FTL,或称superluminality [3] 会成为一个讨论题目,源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制,光速成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。而在相对论中,运动速度和物体的其它性质,如质量甚至它所在参考系的时间流逝等,密切相关,速度低于(真空中)光速的物体如果要加速达到光速,其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量,而且它所感受到的时间流逝甚至会停止,所以理论上来说达到或超过光速是不可能的(至于光子,那是因为它们永远处于光速,而不是从低于光速增加到光速)。但也因此使得物理学家(以及普通大众)对于一些“看似”超光速的物理现象特别感兴趣。

物体要到光速需要无限能量,而在平行空间下无法超光速。

现已有科学家提出设想:将物体前方的空间压缩,将物体后方的空间扩大来超过光速。只是需要巨大的能量,现有科技也无法做到。

光在同一种均匀的介质中沿直线传播。

光沿直线传播的前提是在同种、均匀、透明介质中光的直线传播不仅是在均匀介质,而且必须是同种介质。光在两种均匀介质的接触面上是要发生折射的,此时光就不是直线行进了。用波动学解释光的传播:传播途中每一点都是一个次波点源,发射的是球面波,对光源面(一个有限半径的面积)发出的所有球面波积分,当光源面远大于波长时结果近似为等面积、同方向的柱体,即表现为直线传播,实际上也有发散(理想激光除外)。比如手电发出的光有很明显的发散。光的亮度越强大,离照明参照物越近,光的单色性越好,发散越不明显。当光源半径与波长可比拟时积分时的近似条件不成立,积分结果趋向球面波,即表现为衍射

光在均匀介质中是直线传播的,但当光遇到另一均匀介质时方向会发生改变,改变后依然沿直线传播。而在非均匀介质中,光一般是按曲线传播的。以上光的传播路径都可以通过费马原理来确定。光是延前后左右上下各个方向传播的,光的亮度越亮,越不明显看出,当光亮度较暗时,由发光体到照明参照物的光会扩大,距离越远,扩散的越大,由最初的形状扩散到消失为止,而当发光体离照明参照物零距离时,光的形状是发光体真正的形状大小,所以光传播的方向与光的亮度、光与照明参照物的距离有关!光通常指可见光,即指能刺激人的视觉的电磁波,它的频率范围为:3.9×1014~7.6×1014Hz之间。这只是整个电磁波谱中范围极小的一部分。在更广泛的意义上讲,光应包括频率低于3.9×1014Hz的红外线和频率高于7.6×1014Hz的紫外线。

发射(可见)光的物体叫做(可见)光源。太阳是人类最重要的光源。可见光源有热辐射高压光源(如白炽灯)、气体放电光源(如霓虹灯荧光灯)等。光源有分自然光人造光。有生命的一定是自然光,如水母、萤火虫等,没有生命的不一定是人造光,如恒星、太阳等。

热辐射光源是利用热辐射来发光的。由热辐射理论可知,温度越高,发光效率也越高。白炽灯是爱迪生于1879年首先试制成功的。他选择熔点高的碳做材料,制成碳丝,密封在抽成真空的玻璃管内,通以电流,碳丝就发热发光。由于碳易挥发,工作温度不能超过2100K。后来,选用熔点稍低于碳,但不易挥发的钨做材料,工作温度可达2400K,从而提高了发光效率。现代热辐射的新光源有碘钨灯溴钨灯,发光效率还要高。

气体放电光源是利用电子在两电极间加速运行时,与气体原子碰撞,被撞的气体原子受激,把吸收的电子动能又以辐射发光形式释放出来,这叫做电致发光。不同气体受激发光的频率不同,利用这点可制成各种颜色的霓虹灯。

有的气体放电光源,玻璃管中充的气体受激发射的是不可见光。如水银蒸气在电场中受激发射的就是紫外线。我们可在玻璃管内壁上涂荧光粉,紫外线射到荧光粉上,再激发出可见光来,日光灯就是采用这一原理制成的。日光灯是电致发光和光致发光的综合,它的发光效率比白炽灯好,但显色性不好。现代新型的气体放电照明光源有低压钠灯、高压钠灯等。

光源按发光原理分,除热辐射发光、电致发光光致发光外,还有化学发光、生物发光等。化学发光是在化学反应中以传热发光形式释放其反应能量时发射的光;生物发光是在生物体内由于生命过程中的变化所产生的发光,如萤火虫体内的萤光素萤光素酶作用下与空气发生氧化反应而发光。

另外,光波本身就是从原子、分子内辐射出的高频电磁波,因此光波可以通过加速带电粒子产生。如同步辐射光、轫致辐射切伦科夫辐射自由电子激光等。经典物理学发光看做原子内部带电粒子(包括原子核电子)因吸收外界能量而导致其电偶极矩发生周期性变化的结果。几何光学波动光学非线性光学与同步辐射光等理论完全可以用经典电动力学电磁场理论的相关内容来解释。

光在同种介质中沿直线传播 [4] 小孔成像日食月食还有影子的形成都证明了这一事实。

撇开光的波动本性,以光的直线传播为基础,研究光在介质中的传播及物体成像规律的学科,称为几何光学。在几何光学中,以一条有箭头的几何线代表光的传播方向,叫做光线 [4] 。几何光学把物体看作无数物点的组合(在近似情况下,也可用物点表示物体),由物点发出的光束,看作是无数几何光线的集合,光线的方向代表光能的传递方向。这些概念显然与光的波动本性相违背,但是如果我们所讨论的研究对象的尺寸远远大于光的波长,而它的细微结构也不必十分严密考虑的情况下,由几何光学得出的结论还是很好的近似。(应用波动光学,可以得到光的传播问题的严密的解),由于几何光学方法简捷,在解决光学技术问题中,经常用到它。

几何光学中光的传播规律有三:(1)光的直线传播规律已如上述。大地测量也是以此为依据的。(2)光的独立传播规律两束光在传播过程中相遇时互不干扰,仍按各自途径继续传播,当两束光会聚同一点时,在该点上的光能量是简单相加。(3)光的反射和折射定律。光传播途中遇到两种不同介质的分界面时,一部分反射,一部分折射。反射光线遵循反射定律折射光线遵循折射定律 [5]

光(电磁波)在真空中的传播速度。公认值为c=2.99792458×108m/s(或2.99792458×105km/s)(精确值),是最重要的物理常数之一。

17世纪以前,天文学家和物理学家认为光速是无限大的,宇宙恒星发出的光都是瞬时到达地球。伽利略首先对此提出怀疑,他于1607年在两山顶间做实验测光速,由于光速太大而实验装置又太粗糙,未获成功。1676年丹麦天文学家罗默,利用天文观测,首次测量了光速。1849年法国科学家斐索在实验室里,用巧妙的装置首次在地面上成功地测出了光速。1973年美国标准局的埃文森采用激光方法利用频率和波和测定光速为(299792 458+1.2)m/s。经1975年第15届国际计量大会确认,上述光速作为国际推荐值使用。1983年第17届国际计量大会上通过米的新定义为“真空中光在(1/299 792 458)s时间内行程的长度。

这样,光速已成为定义值,它的精确度为零。今后也无需再做精密测量了。而长度单位时间单位是通过这个定义值直接联系的。

狭义相对论的基本原理之一是光速不变原理。这与光速定义为一固定值是相一致的。不过迄今还有人仍在检验在更高的精确度下,光速究竟是否恒定。

除真空外,光能通过的物质叫做(光)介质

从宏观上来说,光在介质中传播的速度小于在真空中传播的速度。 [5]

海洋里的鱼类,有很多能发出亮光。一般来说,能发光的鱼类多居于深海,浅海里的鱼类能发光的比较少。 鱼类是依靠身体上的发光器官发光的。这些发光器官的构造很巧妙,有的具有透镜、反射镜和滤光镜的作用,会折射光线;有的器官内的腺细胞,会分泌出发光的物质。

还有些鱼是因为鱼体上附有共栖性的发光细菌,这些发光细菌在新陈代谢过程中会发出亮光。鱼体上发光器官的大小、数目、形状和位置,因鱼的种类而各有不同。大多数鱼类的发光器官是分布在腹部两侧,但也有生长在眼缘下方、背侧、尾部或触须末端的。

有"探照灯"的鱼

一支在加勒比海从事科研工作的考察队,发现了一种极为罕见的鱼,在它的两只眼睛之间有一种能发光的特殊器官。至今,这种鱼只在1907年时在牙买加沿岸附近被捕获过,那时当地的渔民把它叫作"有探照灯的鱼"。

科学家已查明,这种奇特的鱼生活在海洋170多米的深处,它的光源是一种特殊的能发光的细菌,借助其"探照灯"这种鱼能照亮其前方近15米远。

灿烂美丽的月亮鱼

如果你有机会站在南美洲沿海岸遥望夜海,那么将会看到海面有许许多多圆圆的月亮般的鱼,这就是月亮鱼。

月亮鱼个体不太大,每条约重500克左右,其肉肥厚丰满,它的身体几乎呈圆形,鱼体的一边,体色银亮,并能放射出灿烂的珍珠光彩。由于它的头部隆起,眼睛很大,很像一只俯视的马头,因此也有"马头鱼"别称。

迷惑对方的闪光鱼

闪光鱼只有几厘米长,它在水里发光时,你可以凭借其光亮看清手表上的时间。鱼类专家们发现,它们是用"头灯"发光的,在它们的两眼下有一粒发出青光的肉粒,这是闪光鱼用头探测异物、捕食食物,并与同类沟通的器官。一群闪光鱼聚在一起时,人们从老远就能看见它们。

闪光鱼主要生活在红海西部和印度尼西亚东海岸。它们白天住在礁洞深海处,晚上就沿着海床觅食嬉戏。它们头上的闪光灯平均每分钟可闪光75次,遇到同类时闪光频率会发生变化,受到追逐时,也有特定的闪动频率,用以迷惑对方。

光怪陆离的五彩鱼光

不同的鱼会发出不同颜色的亮光,同一类的鱼也会发出不同颜色的光。生活在深海里的安康鱼,背鳍第一条鳍的末端有一个发光器官,能发出红、蓝、白三种颜色的光,像一盏小灯笼。它的腹部有两列发光器,上列发出红色、蓝色和紫色的光,下列发出红色和橘黄色的光。

生活在深海里的角鲨,能够发出一种灿烂的浅绿色光亮。太平洋西岸的浅海里,有一种属于蟾鱼科的集群性小鱼,它的身体两侧各生有大约300个发光器能发出奇异的光彩。在昂琉群岛和新加坡岛附近的海里,有一种小宝钰鱼,它的发光器官分布在消化道周围,由于鱼鳔的反射,这种鱼就像看不到钨丝的乳白电灯。

马来亚浅海有一种灯鲈鱼,能发出白中带绿的亮光,很像月光反射在波浪上;此处的另一种灯眼鱼,能发出星状的光亮,看起来好像落在水里的星星。

鱼类所发出的光是没有热量的,是冷光,也叫动物光。它们发光的目的各不相同。安康鱼发光是为了招引异性;松球鱼遇敌侵扰时,会发出"光幕",用来迷惑敌人,吓唬敌人,警告同类。更多鱼类的发光,是为了照明,以便在漆黑的海水深处寻觅食物。

无影灯,是一种先进的光源,它的外形是一个很大的灯盘,上面装有许多射向各个方面的荧光灯,能把手术台所有的暗影都照亮,所以无影灯下就没有影子了。这样,医生为病人做手术,视线就不会受影子的影响,保证手术顺利进行。

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