光

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本文講述科學上的光。如果你要找的是日本新幹線的列車「光」號，请参看「光 (列車)」。

光是一種人類眼睛可以見的電磁波（可見光譜）。在科學上的定義，光有時候是指所有的電磁波譜。光是由一種稱為光子的基本粒子組成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。

[编辑] 研究历史

关于光的本性问题很早就引起了人们的关注。

[编辑] 微粒说

1638年，法国数学家皮埃尔·伽森荻（Pierre Gassendi）提出物体是由大量坚硬粒子組成的。并在1660年出版的他所著的书中涉及到了他对于光的观点，也认为光也是由大量坚硬粒子组成的。

牛頓随后对于伽森荻的这种观点进行研究，他根据光的直线传播规律、光的偏振现象，最终于1675年提出假设，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。

微粒说很容易解释光的直进性和反射現象，因为粒子与光滑平面发生碰撞的反射定律与光的反射定律相同。然而微粒说在解释一束光射到两种介质分界面处会同时反射和折射，以及几束光交叉相遇后彼此毫不妨碍的继续向前传播等现象时，却发生了很大困难。

[编辑] 波动说

罗伯特·胡克在1685年发表的《显微术》一书中，认为光是一种振动，发光体的每一振动在介质中向各个方向传播。胡克初步建立了波面和波线的概念，并把波面的思想用于对光的折射和薄膜颜色的研究。

惠更斯（Christian Huygens）著《论光》更明确地提出了光是一种波动的主张，他认为光是一种介质的运动，该运动从介质的一部分以有限速度依次地向其他部分传播，他把光的传播方式与声音在空气中的传播作比较。

波动说很容易能够解释微粒说不能解释的两个问题。水波可以同时发生反射和折射，并且水波的反射和折射规律和光完全相同。湖面上的激烈水波能够自由的互相穿过，通过一个窗口能够同时听到窗外几个人讲话的声音，这些都是人们熟知的波的现象。然而，早期的波动说缺乏定量的数学严密性，也缺乏对波动特性的足够说明，仍然摆脱不了几何光学的观念。同时，惠更斯所提出的波动说是把光比作像“水波”一样的机械波，即机械波的传播需要依靠介质，而光却能在真空中（即无介质）传播。

牛顿并不是在根本上否认光的波动性，事实上正是牛顿首先提出了光在本质上是一种周期过程的观点，他还多次提到光可能是一种振动并与声波作对比。然而从他的著作《光学》的其他部分来看，他还是倾向于光的微粒说。突出的例子是从光的微粒说出发，根据机械粒子遵守的力学规律来解释光的反射定律和折射定律，并得出了光密介质中的光速要大于光疏介质中的光速这一与事实不符的结论。

英国物理学家托马斯·杨（1773年 – 1829年用干涉实验证明了光的波动性

由于牛顿在学术界有很高的声望，致使微粒说在其后的100多年里一直占着主导地位，而波动说却发展得很慢。同时，如果要证明光具有波动性，必须设法显示出光具有干涉现象，而干涉现象的产生必须得到两列相干光，然而要得到两列相干光在当时是很困难的。直到1801年英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）终于用干涉实验证明了光的波动性。

详见杨氏双缝干涉实验

[编辑] 电磁说

到19世纪中期，光的波动性已经得到公认，然而当时人们只了解在介质中传播的机械波，认为光波也是一种机械波。而任何机械波的传播都依靠介质，光却能在真空中传播。从太阳和其他恒星所发出的光，是通过什么介质传播过来的呢？

为了说明光传播的这个问题，人们便假设在宇宙空间中到处充满着一种特殊的物质，这种物质被称作以太，光便是通过“以太”来进行传播。为了解释光波的各种性质，对于“以太”这个概念又进一步提出了种种假设。譬如，“以太”的密度极小，却具有较大的弹性等。由于对“以太”性质种种假设间存在明显的矛盾，人们很难相信存在这种物质。而为证明“以太”存在的各种实验也都以失败而告终。

1846年，法拉第发现在磁场的作用下，偏振光的振动面会发生改变。这一重要的发现，表明光和电磁现象间存在着某种联系，同时将人们的目光转移到了电磁现象来考虑。

19世纪60年代，麦克斯韦在研究电磁场理论时预见了电磁波的存在。同时指出电磁波是一种横波，电磁波的传播速度等于光速。麦克斯韦通过电磁波与光波的相似性质，提出假设，认为光波是一种电磁波。

20多年后，赫兹用实验证实了电磁波的存在，测得电磁波的传播速度的确与光速相同，同时电磁波也能够产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，从实验中证明了光是一种电磁波。

[编辑] 光子说

光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步。但是，还是在赫兹用实验证实光的电磁说的时候，就已经发现了光电效应这一现象，而这一发现也使光的电磁说遇到了无法克服的困难。1905年爱因斯坦提出光量子论，运用光子的概念解释了光电效应。

[编辑] 特性

反射

折射

光纖束

[编辑] 直进性

光沿直线传播，简言之光是直线运行的，也不需要任何介质，但在其他物体的重力场的影響下，光的传播路径会发生偏折，最显著的就是黑洞的影响。

[编辑] 反射

光線遇另一介質反射的情況是指入射光反回原介質的情形，反射定律可以下列三原則來解釋：

入射線、反射線與法線在同一平面上。
入射線與反射線在法線的兩側。
入射角等於反射角：

$\angle \theta_i = \angle \theta_r$

[编辑] 折射

光从不同密度的介质穿过时发生的偏折现象为折射，不同介质可以出現不同的折射角，由該介質的折射率 $n = \tfrac {\sin \angle \theta_1}{\sin \angle \theta_2}$ 來決定，並遵從斯涅爾定律：

$n_1 \sin \angle \theta_1 = n_2 \sin \angle \theta_2$

光速在不同介質中亦會轉變：

$v_2 = v_1 \tfrac {\sin \angle \theta_2}{\sin \angle \theta_1}$

當 $\angle \theta_2 = 90^\circ$ 時，折射光沿着介面運行，這時 $\angle \theta_1$ 稱為臨界角 $(\angle \theta_c)$ ；當 $\angle \theta_1 > \angle \theta_c$ 時，入射光則完全反射回原介質，稱為全內反射。

[编辑] 全內反射

全內反射是光折射的一個待殊情況，当光线由密度较高的介质（光密）到密度较低的介质（光疏）且入射角大于临界时，即 $\angle \theta_i \geqslant \arcsin \tfrac {n_2}{n_1}$ ，則只有反射光線，没有折射光线，這現象是為全內反射，光纖就是應用這現象來運作。

[编辑] 光徑的可逆性

在干涉與繞射可忽略的情況中，入射光線与反射光線的可交换性。就是在一條光徑的終點，發出反方向的光，此光可沿原路徑回到原來的起點。在介质分界面处应用光路的可逆性可导出关于反射率和折射率的斯托克斯关系。

[编辑] 干涉

干涉现象是波的一种特性。惠更斯在1678年提出光是一种波动后，由于得到两列相干光源很不容易，所以波动说很长时间内没有被证明认可。直到1801年，才由英国物理学家托马斯·杨巧妙而简单的解决了相干光源的问题。

[编辑] 衍射

参见：衍射

繞射现象也是波的一种特性，是光在通過闊度與其波長相當的孔或縫時所發生的現象，光不會持續原來的直線路徑，而是作扇形發散狀。

[编辑] 光电效应

一種光游離作用（光子將電子撞出原子，使之游離的過程），最常見的應用是以光束完成電流通路的電眼系統。

[编辑] 傳播速度

在真空中光的傳播速度為 299,792,458 米每秒，是一個常數，以符號 $c$ 代表，也是訊息傳播速度的上限。

[编辑] 光源

光是能量的一种传播方式。光源所以发出光，是因为光源中原子的运动。有三种方式：热运动、跃迁辐射、受激辐射。前者为生活中最常见的，比如电灯和火焰；后者多应用于激光。

[编辑] 光谱

在光的产生过程中，因为跃迁能级的不同，释放出不同频率的光子（爱因斯坦能量方程）。而不同频率的光会有着不同的颜色。可见光范围内依次为赤橙黄绿蓝靛紫。白光为所有这些光谱的综合。如果用棱镜折射白光，就能够观察到上述可见光光谱。
既复色光（如白光）被色散系统（如棱镜）分类后，按波长的大小依次排列的图案。
后来，对光谱的研究就成了一门专业学科——光谱学。人们利用光谱来研究发光物体的性质。在现代，光谱学在宇宙的研究方面起着重要的作用。

[编辑] 光线

光是直线传播的。基于光线的光学，称为几何光学或线性光学（Beam Optics）。

[编辑] 形成

[编辑] 參考

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