光的基本概念

1．1．1　光的基本概念

光是能量的一种形态，这种能量能从一个物体传播到另一个物体，在传播过程中无需任何物质作为媒介，这种能量的传递方式被称为辐射。

实践证明，光具有波动性，光线的方向也就是波传播的方向。约100年前，人们已证实了光的本质是电磁波。光在一种介质（或无介质）中传播时，它的传播路径将是直线，并称之为光线。在另一方面，光与物质的相互作用中，主要显示出微粒性，即光具有波动性和微粒性的二重性。与之相对应，关于光的现象也有两种，即光的波动现象和光的量子现象。

1）光的波动现象

光的电磁波波动现象认为光是能在空间传播的一种电磁波。电磁波的实质是电磁振荡在空间的传播。

所有的电磁波在真空中传播时具有相同的传播速度c，即

式中:ε0———真空的介电常数，

　μ₀———真空的磁导率，μ₀＝4π×10^－7（H／m）。

由此可得电磁波在真空中的传播速度为:c＝2．997 925×10⁸（m／s）。

不同的电磁波在真空中的传播速度虽然都相等，但它们的振动频率和波长各不相同，三者的关系为:

式中:ν———电磁波的频率（Hz）；

　λ———电磁波的波长（m）。

电磁波在介质中传播时，其频率由辐射源决定而不随介质而变，但传播速度将随介质而变。在介质中电磁波的传播速度v为:

式中:v———电磁波在介质中的传播速度（m／s）；

　n———介质的折射率。

电磁辐射的波长范围是极其广泛的，波长不同的电磁波其特性可能有很大的差别，这些波段不同的电磁波是由不同的辐射源产生的，它们对物质的作用不同，因而有不同的作用和测量方法。若将各种电磁波按波长依次排列可以得到电磁波谱，如图1．1所示。

图1．1　电磁波波谱

电磁波的波长范围极其宽阔，而可见光只占其中极狭窄的一个波段。电磁波可见部分的波长范围约在380～780nm之间，在这个范围内的各种波长，都可凭眼睛的颜色感觉来加以区别。将可见光按波长从380～780nm依次展开，光将分别呈现紫、蓝、青、绿、黄、橙、红色。各种颜色的波长范围大致如下:

紫色:380～450nm；蓝色:450～480nm；青色:480～500nm；绿色:500～580nm；黄色:580～595nm；橙色:595～620nm；红色:620～760nm。

波长超过可见光谱的紫色和红色两端的电磁辐射，分别称为紫外辐射和红外辐射。紫外辐射的短波段可延伸到1nm（1～380nm），短于1nm的是X射线。红外辐射的长波段可到1mm左右，更长的波段属于无线电波的范围。虽然眼睛不能感觉到紫外和红外辐射的存在，但从生理上能感觉得到，其他特性均与可见光极相似。通常把紫外线、红外线和可见光统称为光。

光的电磁理论可以解释光在传播过程中出现的一些现象，如光的干涉、衍射和色散等。这说明光在传播过程中主要表现为波动性。

2）光的量子现象

波动理论虽然能完满地描述光的传播过程，但不能正确地解释光的发射和吸收。实验表明，当光（或其他形式的电磁辐射）发射和吸收时，总含有被称为“量子”的分立的能量值。一个光能量的量子称为一个光子，它所携带的能量q可由普朗克（Planck）关系式给出:

式中:q———光子的能量（J）；

　υ———光子的振动频率（Hz）；

　h———普朗克常数，h＝6．626 2×10^－34J·s。

可见，光的光子所具有的能量极小，1W的辐射功率就相当于每秒辐射出10¹⁸个光子。