请讲一讲几个关于电磁波和光子的烧脑问题(见问题描述)?

火奴努努


1、电磁波到底是磁场电场的振荡还是光子流?

电磁波实际上既是电磁场的振荡(电场和磁场是一个东西),也是光子本身。一个光子也是电磁波,也是电磁场的振荡。光子是这种振荡波的最小单位。不会出现半个电磁波振荡这种现象。

光作为波,具有诸如波长和频率的特性。我们将光的量子视为单个粒子,称为光子。事实是,光具有充当波或粒子的独特属性。当我们分析光与物质之间的相互作用时,将光视为粒子很方便。

光子不是一个实体的球,它只是一种抽象的用于描述电磁波振荡形式的概念。就像我们可以用“水波子”这种概念来描述“水波”的振荡一样。

2、光子的频率和波长,与电磁波的频率与波长是什么关系?

某个光子的频率和波长就是光子这段电磁波的频率和波长,它们就是同一个东西。我们在上面一个问题中已经把这两个概念的关系同一化了。所以光子的波长和频率就是指光子所带表的电磁波的波长和频率。

大量的光子在一起运动,那么每个光子都可以以自己的频率和波长存在。我们看到的太阳光实际上就是不同频率和波长的光子同时进入我们眼睛而被看到的。单色光只包含大量相同频率的光子。

但为了不让人搞糊涂,就可以说光子就是电磁波本身,而不是说许多光子集合起来构成了电磁波。

上图:光子的时空结构,就是一个完整的电磁波波长(或者周期)。

3、高功率的微波为何不能造成电离效果?

“光电效应”是光可以在金属板上感应电荷的过程的名称。海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)于1887年首次观察到这种现象,当时人们开始将光视为粒子。爱因斯坦在1905年撰写的对此效应的解释为他赢得了1921年的诺贝尔奖。它是在光子与电子碰撞,消失并将其能量传递给电子时发生的。如果光子具有足够的能量,则电子将从原子中排出。爱因斯坦撰写本文的动机是为了解释紫光弱光束如何引起这种效应,而非常明亮的红光光源不会引起这种效应。

要造成电离,需要足够高的能量,这个能量要高到能够把电子从原子当中“敲打”出来。不同的物质被电离的能量要求是不一样的,这就是光电效应的能量门限值。

金属板上的电子具有一定的能量,这种能量可以通过“功函数”来描述。它被更严格地定义为将电子推离原子核无限距离所需的能量

(也就是电离能)。我们可以利用势能方程轻松地计算出简单原子的原子数,诸如下面这个氢原子的功函数:

V = 1 /(4 \\ pi \\ epsilon_0)*(q_1)(q_2)/ r

对于氢原子以外的任何原子,功函数会变得过于复杂而无法计算。电子的能量取决于原子核的电荷、电子的电荷以及原子核与电子之间的距离。

量子电动力学理论告诉我们:

每个光子的能量为E = h\\v

其中h是一个普朗克常量,具有近似值:1.05457148 * 10 -34 m 2 kg / s,

其中v(实际是希腊字母“nu”),指光的频率。

光的频率与光的波长成反比。具体地说,

λ=c/v

在常数c是光速的情况下,λ是波长,而v是频率。

因此,回到我们以前的方程,光子的能量也与它的波长成反比。在所有可见光中,红光的波长最长(因此能量最低),而蓝光的波长最短(能量最高)。

可见光的光谱范围为450(紫)-700(红)nm。

上图:蓝色光子(波长= 475 nm)撞击金属板并敲出电子。蓝光比大多数可见光具有更多的能量。

上图:绿色光子(波长= 510 nm)撞击相同的金属板。由于绿光的能量(每个光子)比蓝光的能量少,因此电子以较小的能量被敲出,因此速度也较小。

上图:红色光子(波长= 650 nm)撞击金属板。红光具有最高的波长(最低的频率),因此在所有可见光中的能量最少。在这种情况下,光子的能量小于“功函数”。因此,电子吸收了光子,却没有获得足够的能量逃逸到金属板上。

而光的能量并不与光子的密度相关,而是与光的频率相关。也就是说只调亮光的强度是无法促成光电效应的,要调的应该是光的颜色。蓝光就要比红光更容易导致电离。

通常金属更容易被电离,因为金属外层的电子比较自由,稍微来点能量就给踢出去了。但一般常用金属的电离的频率范围应该都在可见波段偏蓝端(一般是要绿光以上),像红光都不能造成光电效应,就更别说频率更低的微波了。

微波的频率远远低于可见光,不管微波功率有多高,其中光子的能量还是很低的。提高微波功率只是提高了光子在单位时间上的通量,而不是提高光子的能量。因此微波基本上是没法造成电离的。

上图:电磁波谱及波长示意。

4、电磁感应与光电效应能否视为本质相同(磁通量变化造成电动势=光子为电子提供能量)?

光电效应从某种意义上来说,可以被视为一种电磁波能量转化为电子的动能的过程。但说成是形成洛伦兹力的电磁感应,似乎其本质是有联系的,但不严谨。

光电效应是能级模型的一个特殊情况,即电子被激发到电离的能态,结果就是电子离开原子核的束缚飞出去了。激发的过程可以说是光子与电子之间的感应,但是能级的跃迁则属于一种量子效应,这是原子核外静电势能场的一种量子现象。

我们宏观上所说的洛伦兹力实际上是这种微观现象的宏观表现,虽然我们称之为电磁感应现象,但实际上描述的是同种原理下不同尺度上的不同表现。本质上都归咎于电子动能的改变,但不同尺度上体现为不同的现象,一个叫洛伦兹力,另一个是光电效应。

上图:电磁场中的洛伦兹力示意。

总结

光子就是电磁波,电磁波就是光子。


小宇堂


光?是电磁波的频段使视觉神经共振吸能的的表达,约400A一650A频段的频率,低于400A当红光之外的频段简称红外线,手机伩号不到1A,650以上为紫外线,所以电磁波这个频段叫光波,又因为电磁波传播是不连续的似段段堆堆呢?所以又叫子,粒子,光的粒子叫光子,不要以为粒子就是苹果形状,天上一块单独立白云叫它做一粒白云又有何不可?


霜叶9975


我们的宇宙是稳恒态宇宙,在某些层次内确实在膨胀。圆球套圆球……圆球套比它小的许多圆球……大圆球套小圆球,我们地球之外还套了30几层的圆球面……每个圆球面有各自的中心有各自的对环流层。我们的物质世界非常庞大。我们的物质世界之外还有许多大型的物质世界。就是由这许多大型的物质世界组成的宇宙……稳恒态宇宙。宇宙代表整个空间而不是代表单一的大型物质世界。

大型物质世界是单一的物质世界……各个单一的大型物质世界被真空隔离它们没有相连。宇宙包含了许多许多无数无穷尽的大型单一物质世界……我们就在其中一个大型物质世界内部。


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