本帖最后由 twq19810302 于 2022-12-20 10:44 編輯 ) q' y" s. |5 j. J7 t/ {9 ? T
$ ^* B( k$ k, O4 B) L2 G先做一個(gè)開(kāi)篇提問(wèn)：用一支激光筆射向夜空中，當(dāng)你關(guān)閉開(kāi)關(guān)的瞬間，先前射出去的那束激光還會(huì)在宇宙中傳播嗎？（文末解答）
2 _ k: y0 @) e' t. a光的本質(zhì)是什么？ 為什么同樣一束光可以穿過(guò)玻璃，卻不能穿過(guò)我們的身體或者墻壁，光在穿過(guò)玻璃而過(guò)的過(guò)程中，玻璃里發(fā)生了什么？鏡子為什么可以反射光？光子沒(méi)有質(zhì)量，為什么光會(huì)產(chǎn)生光壓？沒(méi)有質(zhì)量的光又為什么會(huì)被黑洞吸引？光照射在太陽(yáng)能板上為什么會(huì)產(chǎn)生電流？ & h1 \* V. H. F. k' g, | A
這一連串的為什么或許我們沒(méi)有去了解過(guò)，今天我們就來(lái)探究一下，光到底是什么？
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光粒子說(shuō) 1638年，法國(guó)數(shù)學(xué)家皮埃爾·伽森荻(Pierre Gassendi)提出物體是由大量堅(jiān)硬粒子組成的。
# l2 L. m6 @ e6 j7 x并在1660年出版的他所著的書(shū)中涉及到了他對(duì)于光的觀點(diǎn)。他認(rèn)為光也是有大量堅(jiān)硬粒子組成的。牛頓隨后對(duì)于伽森荻的這種觀點(diǎn)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(shuō)很容易解釋光的直進(jìn)性，也很容易解釋光的反射，因?yàn)榱Ｗ优c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(shuō)示意圖
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$ [. p! |$ [8 `* w" m F& ?# @光的反射現(xiàn)象
( e) X4 G* C( i" ~0 ?, l( f然而微粒說(shuō)在解釋一束光射到兩種介質(zhì)分界面處會(huì)同時(shí)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(shí)，卻發(fā)生了很大困難。
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同時(shí)折射與反射 / k( R/ y% Q7 d
8 o, ^8 j: T _9 k. F0 d互不干涉現(xiàn)象
- Q) Y5 I8 y# ]6 h* q不是粒子那是什么呢？
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電場(chǎng) 帶電體周?chē)嬖谥环N特殊物質(zhì)，那就是電場(chǎng)。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(jué)得到的存在。不信的話(huà)，可以伸手試試！比如下圖的靜電場(chǎng)。我們用眼睛看不到，但是我們的頭發(fā)卻很“誠(chéng)實(shí)”。
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19世紀(jì)30年代,英國(guó)科學(xué)家法拉第提出了“電荷的周?chē)嬖谥伤a(chǎn)生的電場(chǎng)”這一觀點(diǎn)，隨后物理學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)了法拉第的這一觀點(diǎn)，而且證明了電場(chǎng)是一種客觀存在的物質(zhì)形式。電場(chǎng)是看不見(jiàn)、摸不著的，為了形象地描述電場(chǎng)中各點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和方向，法拉第還引入了電場(chǎng)線的概念。
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對(duì)比一下上圖，我們的頭發(fā)是不是形象地詮釋了電場(chǎng)線的存在？ 7 C0 x6 u3 g" O; ~! ^
電場(chǎng)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(shí)是存在的，不但有大小，而且有方向。若把一個(gè)帶電的粒子放在它的周?chē)瑤щ娏Ｗ泳蜁?huì)受到力的作用，這個(gè)力就是電場(chǎng)力。
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磁場(chǎng) 磁場(chǎng)是一個(gè)物理概念，是指?jìng)鬟f實(shí)物間磁力作用的場(chǎng)。磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)著的微小粒子構(gòu)成的，在現(xiàn)有條件下看不見(jiàn)、摸不著。磁場(chǎng)具有粒子的輻射特性。磁體周?chē)嬖诖艌?chǎng)，磁體間的相互作用就是以磁場(chǎng)作為媒介的，所以?xún)纱朋w不用在物理層面接觸就能發(fā)生作用。
) z4 ]. E4 r/ S C磁鐵的磁力線
. n& I% K/ w/ y5 X! |- Y. l磁鐵為什么會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)？簡(jiǎn)單的說(shuō)就是磁鐵這種物質(zhì)的每個(gè)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(chēng)“安培電流”。分子或原子中由電子運(yùn)動(dòng)所形成的電流。可用以說(shuō)明物質(zhì)的磁性。 ) I+ n% a/ R* e; a
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0 p5 b( K/ U$ B6 p4 A3 d0 V關(guān)于物質(zhì)磁性本質(zhì)的假說(shuō)。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(chēng)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(duì)外界的磁效應(yīng)的總和。分子電流與導(dǎo)線中通過(guò)的宏觀電流是有本質(zhì)區(qū)別的，安培的假說(shuō)把永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與宏觀電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)統(tǒng)一了起來(lái)。安培的假說(shuō)與現(xiàn)代對(duì)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(shuō)，基元磁體兩個(gè)磁極對(duì)應(yīng)于圓形電流的兩個(gè)面，顯然這兩個(gè)面是不能單獨(dú)存在的，由此很容易解釋磁體的N、S兩極不能單獨(dú)存在的原因。 i" M( j& k) C, N) Z. i4 w s/ X
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/ h# P+ P' ?. J電磁場(chǎng)與電磁波 我們知道了電場(chǎng)，也知道了磁場(chǎng)，這兩個(gè)東西在一起就創(chuàng)造了一個(gè)叫電磁場(chǎng)的東西。打個(gè)比方，電磁場(chǎng)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(kāi)，你在湖東岸扔的石頭，最終水波會(huì)傳到湖的西岸。 8 J& j4 z& J8 \4 v* B' g
C, }; f+ ]1 x: [電磁場(chǎng)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(shū)的說(shuō)法，即是交變的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)，交變的磁場(chǎng)又能產(chǎn)生電場(chǎng)。讓我們想象一下，電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，然后電場(chǎng)又產(chǎn)生磁場(chǎng)，無(wú)限循環(huán)下去，電場(chǎng)和磁場(chǎng)就會(huì)以波的形式向外傳播出去。
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5 x2 T4 X A9 Z. ~6 r電磁波示意圖
+ J9 d/ M' q( y: H9 J- t電磁場(chǎng)包含電場(chǎng)與磁場(chǎng)兩個(gè)方面，分別用電場(chǎng)強(qiáng)度E（或電位移D）及磁通密度B（或磁場(chǎng)強(qiáng)度H）表示其特性。按照麥克斯韋的電磁場(chǎng)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。 # g8 }2 ~2 A* h& b- C! Q) c+ E
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電磁波是能量傳播形式的一種，凡是高于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)釋出電磁波。且溫度越高，放出的電磁波波長(zhǎng)就越短。
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光是電磁波的一種 寫(xiě)到這里，我們揭秘光的其中一種比較主流的解釋?zhuān)鈱儆谝环N電磁波。只是我們?nèi)祟?lèi)定義頻率在380~750兆赫，波長(zhǎng)在390nm - 780nm（納米）之的電磁波叫做可見(jiàn)光，而對(duì)于動(dòng)物來(lái)說(shuō)，它們眼中的光和我們大不同。 " R4 _2 H* G; d+ l4 ^
2 \" A% k6 N/ m+ Y' g. V- k* i9 o電磁波譜表-可見(jiàn)光波譜
: m1 _& C i+ z比如動(dòng)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(gè)樣子的。
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) E; h( E" V0 u, C0 p馴鹿每年都會(huì)遷徙，在遷徙過(guò)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(dòng)物的尿液和白雪，因?yàn)槟蛞何兆贤饩�，而白雪反射紫外線，這使得馴鹿可以避免偶遇食肉動(dòng)物。再比如蛇，它們能感知紅外線，并非通過(guò)眼睛，而是通過(guò)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。 ) J b7 C3 Q: r! {
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9 f+ [; U5 B ]) l而對(duì)于短波收音機(jī)來(lái)說(shuō)，它們“看到”的“光”是波長(zhǎng)10~100米的電磁波。而假設(shè)人類(lèi)眼睛能看到4G發(fā)射臺(tái)發(fā)出的電磁波，我們站在高處將會(huì)看到這樣的景象。 * ^9 |+ v6 D8 ~( R+ _' O) o3 A
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如果光是電磁波的一種，那么來(lái)解釋一下玻璃為什么是透明的？這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該問(wèn)成，玻璃這種材質(zhì)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)看起來(lái)為什么是透明的？因?yàn)橛行╇姶挪ㄔ诖┻^(guò)鋼化玻璃時(shí)信號(hào)會(huì)衰減得很厲害，那么對(duì)這些波段來(lái)說(shuō)，玻璃就不是透明的，而是類(lèi)似毛玻璃的效果。 ( H6 u3 c& Q8 p7 b1 b: y
鏡子的制造原理其實(shí)很簡(jiǎn)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，玻璃之所以透明是因?yàn)樗鼰o(wú)法吸收可見(jiàn)光，而金屬不透明是因?yàn)樗樟丝梢?jiàn)光。這個(gè)道理聽(tīng)起來(lái)很容易理解，那么，決定物質(zhì)能否吸收可見(jiàn)光的因素是什么呢？ % m8 ^+ A- i5 C6 s* o7 d
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可見(jiàn)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(jiàn)光的能量進(jìn)行躍遷。不過(guò)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(shuō)明其中的電子比較容活躍，當(dāng)可見(jiàn)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(lái)不透明。而玻璃是絕緣體，說(shuō)明其中的電子不活躍，所以光波的能量不會(huì)被電子吸收。就從玻璃介質(zhì)中傳播過(guò)去了。
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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(yùn)動(dòng)范圍是整塊金屬,當(dāng)白光照到金屬表面時(shí),自由電子能吸收所有波長(zhǎng)的光,隨即又反射出來(lái),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。 ) i" T2 a2 m2 [7 ]# T& R) u
不過(guò)，金屬的這種不透明，是基于可見(jiàn)光的能量條件（不同波長(zhǎng)的電磁波能量也不同）。如果改變這個(gè)條件，情況就會(huì)發(fā)生變化。 我們知道，可見(jiàn)光是電磁波中波長(zhǎng)范圍在400～800nm的部分。除了可見(jiàn)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(zhǎng)范圍是1mm~1m；還有醫(yī)院用來(lái)檢查身體的X射線，其波長(zhǎng)范圍是0.01～10nm。 5 a; d& ^3 Y; d& p- [
在可見(jiàn)光狀態(tài)下，我們的身體是不透明的，我們不能透過(guò)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(guò)X射線，清楚地看到骨骼和器官。
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3 K. }& |5 \% r, g: }X光照片 / Q: i$ B- x8 L I
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(wú)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(wú)限薄，薄到其中的電子含量可以忽略不計(jì)。在這種情況下，金屬吸收的能量非常有限，即便受到可見(jiàn)光的照射，看起來(lái)也有可能是透明的。 9 t5 K: N9 D9 s- v
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(jī)和平板電腦屏幕，這種材料就是ITO，即氧化銦錫。
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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(jī)風(fēng)擋上會(huì)涂抹一層氧化銦錫薄膜。氧化銦錫既能導(dǎo)電又透明。
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氧化銦錫薄膜在可見(jiàn)光下出現(xiàn)干涉彩虹
7 g9 |( D$ j( l光電效應(yīng)
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圖片是中國(guó)空間站上的太陽(yáng)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(gè)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(guó)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(ài)因斯坦。科學(xué)家們?cè)谘芯抗怆娦?yīng)的過(guò)程中，物理學(xué)者對(duì)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(shuō)法受到了挑戰(zhàn)。
( z7 g6 y1 ^9 C% T$ b3 J: t- E( g5 |
. y) B' \+ m P0 t) @2 m8 t讓科學(xué)家絕望的光雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 7 o. m* d" W# g$ {$ F1 ~
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(wú)關(guān)。光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響。 $ p" O6 K/ I. v0 M/ ]3 B
光電效應(yīng)說(shuō)明了光具有粒子性。相對(duì)應(yīng)的，光具有波動(dòng)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(shí)具有粒子性也同時(shí)具有波動(dòng)性。稱(chēng)為光的波粒二象性。 ( o& |2 k% P0 M) d& c' j
光的最新解釋-光量子說(shuō) 光量子假說(shuō)的主要觀點(diǎn)：光子是光線中攜帶能量的粒子。一個(gè)光子能量的多少與波長(zhǎng)相關(guān), 波長(zhǎng)越短, 能量越高。當(dāng)一個(gè)光子被物體的分子吸收時(shí),就有一個(gè)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(dòng)量，更具有質(zhì)量，按照質(zhì)能方程，E=MC^2=HV, 由于光子無(wú)法靜止，所以它沒(méi)有靜態(tài)質(zhì)量，而具有相對(duì)論質(zhì)量。
+ ?1 S6 k1 r/ x0 Y6 Q% j$ m; _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(chǎng)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(shí)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(duì)可見(jiàn)光而言，單個(gè)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(gè)分子，從而引起視覺(jué)。除能量以外，光子還具有動(dòng)量和偏振態(tài)，但單個(gè)光子沒(méi)有確定的動(dòng)量或偏振態(tài)。
/ x! n6 B6 X2 U光沒(méi)有靜態(tài)質(zhì)量，但是有相對(duì)質(zhì)量，所以光可以產(chǎn)生光壓。太陽(yáng)光帆飛船就是這個(gè)原理。
6 h$ e3 L$ @2 @5 n) ^太陽(yáng)光帆飛船 2 D5 \2 i y. h8 }) O7 W8 f/ p4 M
光沒(méi)有質(zhì)量為什么會(huì)被引力彎曲，甚至逃不出黑洞？因?yàn)楣馑鶄鞑サ膱?chǎng)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(chē)，路如果轉(zhuǎn)彎了，車(chē)也一定會(huì)轉(zhuǎn)彎。 0 L: T. Z3 ]- u& J) z9 {
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引力陷阱
- n+ B+ q1 f+ ]5 } T梵觀點(diǎn)：今天寫(xiě)的有點(diǎn)多，因?yàn)楣獾侥壳盀橹谷藗兌紱](méi)有完全搞懂它的本質(zhì)。開(kāi)篇的問(wèn)題“用一支激光筆射向夜空中，當(dāng)你關(guān)閉開(kāi)關(guān)的瞬間，先前射出去的那束激光還會(huì)在宇宙中傳播嗎？”回答是：按光量子說(shuō)，會(huì)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。 4 G$ E2 q2 T5 Z" n
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(gè)地方，那顆星星可能早已經(jīng)不在了，但是連續(xù)發(fā)出來(lái)的光還一直都在！ % A# C* H' k w, n* a; A) e
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發(fā)表于 2022-12-20 10:42:00
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問(wèn)題專(zhuān)業(yè)，描述清楚
伸手黨/灌水/看不懂
