探索光的奧祕之一:什麼是光,光是如何產生的?

探索光的奥秘之一:什么是光,光是如何产生的?

在我們日常生活中,光可謂是無處不在,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生氧氣,而有氧呼吸的動物便不會出現,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。

探索光的奥秘之一:什么是光,光是如何产生的?

我們都知道光是我們生活中不可或缺的,那麼什麼是光,光又是如何產生的呢?

1. 光為何物

首先,光是一種電磁波,這個幾乎大家都知道。在我們日常生活或者文學中,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範圍在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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當電磁波的波長大於紅光的波長(700nm)或小於紫光的波長(400nm)時,人類的肉眼就看不見了,這是由於我們人類的視錐細胞的能力所決定的,我們只能看到這個波長範圍內的電磁波,而有的生物可以看到這個範圍之外的電磁波。如蛇可以看到紅外線,蜜蜂可以看到紫外線,這些都是我們人類所看不見的。

其實在物理學中,任何波長範圍內的電磁波都叫做光。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,並且都沿直線傳播。

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,光在吸收和發射能量時是一份一份傳輸的,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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在市面上我們會經常看到很多美容的光學儀器都貼上“光子”“光量子”的一些標籤以此來顯得高大上,從而忽悠顧客,其實這些都只是光的固有屬性,而並非是廠家發明了另外一種東西,這麼叫只是為了吸引顧客。

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2. 光是如何產生的

一個物體只要有一定的溫度便會產生電磁波輻射,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,在那裡的粒子基本都是等離子體,也就是說那裡的原子都被電離成了原子核和電子。當高能態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(能量守恆)。

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,由於光速是不變的,而光速又等於波長乘以頻率。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。

由於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,那麼對應所發出的光子能量也大,所以當一系列的具有不同能量的自由電子都經歷此狀況時便會發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佔接近一半(44%),而紅外線佔了也較多,約40%,剩餘的為伽馬射線、X射線、紫外線、微波以及無線電波等。

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除了太陽,在我們生活中產生光比較普遍的還有白熾燈。白熾燈的發光原理也類似,即通電後電子能量升高,高能態的電子不穩定會躍遷到低能態,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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另外產生光比較多的還有火焰,火焰在燃燒的過程中也是發生了電子的能級躍遷,產生了發光的化學反應。和白熾燈類似,火焰的發光效率也不高,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。

探索光的奥秘之一:什么是光,光是如何产生的?

除了上述一些傳統的光源,隨著我們對發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,相比於白熾燈而言,LED燈具有更高的可見光發光效率以及更低的能耗。

文中圖片由作者提供

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