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  • 什么是光?

    作者:Nothing(翻译) 来源:中科院物理所 时间:2021-12-08 12:25 阅读:6374 [投稿]
    光既是一种波,同时也是一种粒子流。在量子力学中,这被称为波粒二象性。

    现实中,从天线出发的电磁波会向各个方向传播。

    通过控制电流在天线内改变方向的速度,我们可以控制电磁波的频率。频率越高,波的压缩程度越高(波长越小)。波的频率不影响波本身的传播速度。传播速度始终等于光速。

    创造电磁波 | 激发电子

    使用天线并不是产生电磁波的唯一方法。电子从原子中的高能量状态跃迁到低能量状态同样可以发出电磁波。可以看到,在原子内部,电子围绕原子核运行。电子离中心越远,其能级越高。

    我们可以通过多种方式来向原子注入能量使电子远离原子核。但是,这种状态是不稳定的,被激发的电子将不可避免地回到其初始的能量状态。剩余的能量(发射能量)随后以光子的形式释放。根据电子释放能量的大小,光子也会携带或多或少的能量。 


    但,什么是光子?光子是一种没有静质量的粒子,它代表光最小离散的能量。当一个粒子的质量足够小时,它就会表现出像波一样的特性。光子没有静质量,所以它表现得像波一样。但是,之前我们都说光是由电磁波构成的,现在为什么突然把它看成粒子了?

    为了更好地理解这一点,我们必须回顾一下持续了几个世纪的关于光是波还是粒子流的争论。

    是波还是粒子?

    17世纪,艾萨克·牛顿进一步发展了微粒理论。在这个理论中,光是由微小光粒子组成的。这些粒子以光速进行直线运动。他可以利用这个理论来解释光的反射和折射。但是,微粒理论不能解释光其他所有的性质。例如,光会产生干涉图样。当两个(或更多)波相互干涉时,这些图样就会产生。粒子流不能形成干涉图样,只有波的干涉可以产生。此外,不同波长的波可以解释为什么可以看到各种不同的颜色,这是为什么光应该是波而不是粒子流的另一个原因。基于一些类似的实验,荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯的波动论被广泛接受;在19世纪,詹姆斯·麦克斯韦甚至可以证明光是一种以光速在空间中传播的电磁波。

    但是,到了20世纪,像爱因斯坦等科学家做了一些新的实验。这些实验似乎表明光实际上是由粒子流组成的。他们做的最重要的实验与光电效应有关:当我们将光线照射到金属上时,就会产生光电效应,电子会从金属表面发射出来。 


    这些实验之所以特别,是因为当你增强入射光的光强,发射出的单个电子的能量不变。光强只会改变发射出来的电子数。光强越强,发射的电子越多。如果光是波的话不可能发生这种情况。因为,当波照射到电子上后,电子会从光波中吸收能量,同时抵消掉这部分光。这意味着增加光强可以增加每个发射电子的动能。

    这个实验的结果让科学家感到很困惑。为了更好地了解发生了什么,他们保持入射光光强不变,但改变光的频率(不同的颜色)。结果表明,频率越高,发射电子的动能越高。

    多亏了这些实验,使得爱因斯坦能够解释到底发生了什么。他说,光不仅仅是一种波,它由被称为光子的离散波包组成。当光子有足够的能量时,它可以让电子从金属中溢出。光强越大,越多的光子射向金属表面,因此从金属中发射的电子也就越多。光的频率越高,每个光子的能量越高,导致发射的电子具有更高的动能。

    最后的思考

    总之,光既是一种波,同时也是一种粒子流。在量子力学中,这被称为波粒二象性。 

    原文链接:https://www.cantorsparadise.com/but-what-is-light-7bd0c3309ffa 

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