光是人類眼睛可以看見的一種電磁波，也稱可見光譜。在科學(xué)上的定義，光是指所有的電磁波譜。光是由光子為基本粒子組成，具有粒子性與波動(dòng)性，稱為波粒二象性。光可以在真空、空氣、水等透明的物質(zhì)中傳播。對于可見光的范圍沒有一個(gè)明確的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波長在400-700毫米之間。人們看到的光來自于太陽或借助于產(chǎn)生光的設(shè)備，包括白熾燈泡、熒光燈管、激光器、螢火蟲等。因?yàn)楣馐侨祟惿娌豢苫蛉钡奈镔|(zhì)，光的成語非常多，也有同名的歌曲。 蘇格蘭物理學(xué)家詹姆士·克拉克·麥克斯韋——19世紀(jì)物理學(xué)界的巨人之一的研究成果問世，物理學(xué)家們才對光學(xué)定律有了確定的了解。從某些意義上來說，麥克斯韋正是邁克爾·法拉第的對立面。法拉第在試驗(yàn)中有著驚人的直覺卻完全沒有受過正式訓(xùn)練，而與法拉第同時(shí)代的麥克斯韋則是高等數(shù)學(xué)的大師。他在劍橋大學(xué)上學(xué)時(shí)擅長數(shù)學(xué)物理，在那里艾薩克·牛頓于兩個(gè)世紀(jì)之前完成了自己的工作。 牛頓發(fā)明了微積分。微積分以“微分方程”的語言來表述，描述事物在時(shí)間和空間中如何順利地經(jīng)歷細(xì)微的變化。海洋波浪、液體、氣體和炮彈的運(yùn)動(dòng)都可以用微分方程的語言進(jìn)行描述。麥克斯韋抱著清晰的目標(biāo)開始了工作——用精確的微分方程表達(dá)法拉第革命性的研究結(jié)果和他的力場。 麥克斯韋從法拉第電場可以轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌銮曳粗嗳贿@一發(fā)現(xiàn)著手。他采用了法拉第對于力場的描述，并且用微分方程的精確語言重寫，得出了現(xiàn)代科學(xué)中最重要的方程組之一。它們是一組8個(gè)看起來十分艱深的方程式。世界上的每一位物理學(xué)家和工程師在研究生階段學(xué)習(xí)掌握電磁學(xué)時(shí)都必須努力消化這些方程式。 隨后，麥克斯韋向自己提出了具有決定性意義的問題：如果磁場可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?，并且反之亦然，那若它們被永遠(yuǎn)不斷地相互轉(zhuǎn)變會(huì)發(fā)生什么情況？麥克斯韋發(fā)現(xiàn)這些電—磁場會(huì)制造出一種波，與海洋波十分類似。令他吃驚的是，他計(jì)算了這些波的速度，發(fā)現(xiàn)那正是光的速度！在1864年發(fā)現(xiàn)這一事實(shí)后，他預(yù)言性地寫道：“這一速度與光速如此接近，看來我們有充分的理由相信光本身是一種電磁干擾。” 這可能是人類歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。有史以來第一次，光的奧秘終于被揭開了。麥克斯韋突然意識到，從日出的光輝、落日的紅焰、彩虹的絢麗色彩到天空中閃爍的星光，都可以用他匆匆寫在一頁紙上的波來描述。今天我們意識到整個(gè)電磁波譜——從電視天線、紅外線、可見光、紫外線、X射線、微波和γ射線都只不過是麥克斯韋波，即振動(dòng)的法拉第力場。 光分為人造光和自然光。 自身發(fā)光的物體稱為光源，光源分冷光源和熱光源。如圖為人造光源。有實(shí)驗(yàn)證明光就是電磁輻射，這部分電磁波的波長范圍約在紅光的0.77微米到紫光的0.39微米之間。波長在0.77微米以上到1000微米左右的電磁波稱為“紅外線”。在0.39微米以下到0.04微米左右的稱“紫外線”。紅外線和紫外線不能引起視覺，但可以用光學(xué)儀器或攝影方法去量度和探測這種發(fā)光物體的存在。所以在光學(xué)中光的概念也可以延伸到紅外線和紫外線領(lǐng)域，甚至X射線均被認(rèn)為是光，而可見光的光譜只是電磁光譜中的一部分。 光具有波粒二象性，即既可把光看作是一種頻率很高的電磁波，也可把光看成是一個(gè)粒子，即光量子，簡稱光子。 光速取代了保存在巴黎國際計(jì)量局的鉑制米原器被選作定義“米”的標(biāo)準(zhǔn)，并且約定光速嚴(yán)格等于299,792,458米/秒，此數(shù)值與當(dāng)時(shí)的米的定義和秒的定義一致。后來，隨著實(shí)驗(yàn)精度的不斷提高，光速的數(shù)值有所改變，米被定義為1/299,792,458秒內(nèi)光通過的路程,光速用“c”來表示。 光是地球生命的來源之一。光是人類生活的依據(jù)。光是人類認(rèn)識外部世界的工具。光是信息的理想載體或傳播媒質(zhì)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類感官收到外部世界的總信息中，至少90％以上通過眼睛…… 當(dāng)一束光投射到物體上時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射、干涉以及衍射等現(xiàn)象。 光線在均勻同等介質(zhì)中沿直線傳播。 光波，包括紅外線，它們的波長比微波更短，頻率更高，因此，從電通信中的微波通信向光通信方向發(fā)展，是一種自然的也是一種必然的趨勢。 普通光：一般情況下，光由許多光子組成，在熒光（普通的太陽光、燈光、燭光等）中，光子與光子之間，毫無關(guān)聯(lián)，即波長不一樣、相位不一樣，偏振方向不一樣、傳播方向不一樣，就象是一支無組織、無紀(jì)律的光子部隊(duì)，各光子都是散兵游勇，不能做到行動(dòng)一致。 光反射時(shí)，反射角等于入射角，在同一平面，位于法線兩邊，且光路可逆行。 光的種類 光源可以分為三種。 第一種是熱效應(yīng)產(chǎn)生的光，太陽光就是很好的例子，此外蠟燭等物品也都一樣，此類光隨著溫度的變化會(huì)改變顏色。 第二種是原子發(fā)光，熒光燈燈管內(nèi)壁涂抹的熒光物質(zhì)被電磁波能量激發(fā)而產(chǎn)生光，此外霓虹燈的原理也是一樣。原子發(fā)光具有獨(dú)自的基本色彩。 第三種是同步加速器（synchrotron）發(fā)光，同時(shí)攜帶有強(qiáng)大的能量，原子爐發(fā)的光就是這種，但是我們在日常生活中幾乎沒有接觸到這種光的機(jī)會(huì)。 光的色散 復(fù)色光分解為單色光的現(xiàn)象叫光的色散．牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散,把白光分解為彩色光帶(光譜).色散現(xiàn)象說明光在媒質(zhì)中的速度(或折射率n=c/v)隨光的頻率而變.光的色散可以用三棱鏡,衍射光柵,干涉儀等來實(shí)現(xiàn). 白光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等各種色光組成的叫做復(fù)色光。紅、橙、黃、綠等色光叫做單色光。 色散：復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象叫做光的色散。色散可以利用棱鏡或光柵等作為“色散系統(tǒng)”的儀器來實(shí)現(xiàn)。復(fù)色光進(jìn)入棱鏡后，由于它對各種頻率的光具有不同折射率，各種色光的傳播方向有不同程度的偏折，因而在離開棱鏡時(shí)就各自分散，形成光譜。 光的電磁說 說明光在本質(zhì)上是電磁波的理論。電磁輻射不僅與光相同，并且其反射、折射以及偏振之性質(zhì)也相同）由麥克斯韋的理論研究表明，空間電磁場是以光速傳播。這一結(jié)論已被赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。麥克斯韋，在1865年得出了結(jié)論：光是一種電磁現(xiàn)象。按照麥克斯韋的理論c/v=√( ε* μ) 式中c為真空中的光速。ν為在介電常數(shù)為ε和導(dǎo)磁系數(shù)為μ的媒質(zhì)中的光速，因?yàn)閏/v=n(折射率),所有n=√( ε* μ) 這個(gè)關(guān)系式給出了物質(zhì)的光學(xué)常數(shù)，電學(xué)常數(shù)和磁學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系。當(dāng)時(shí)從上述的公式中看不出n應(yīng)隨著光的波長λ而改變，因而無法解釋光的色散現(xiàn)象。后來羅侖茲在1896年創(chuàng)立了電子論，從這一理論看，介電常數(shù)ε是依賴于電磁場的頻率，即依賴于波長而變的，從而搞清了光的色散現(xiàn)象。光的電磁理論能夠說明光的傳播、干涉、衍射、散射、偏振等許多現(xiàn)象，但不能解釋光與物質(zhì)相互作用中的能量量子化轉(zhuǎn)換的性質(zhì)，所以還需要近代的量子理論來補(bǔ)充。 光的微粒說 關(guān)于光的本性的一種學(xué)說。17世紀(jì)曾為牛頓等所提倡。這種學(xué)說認(rèn)為光由光源發(fā)出的微粒、它從光源沿直線行進(jìn)至被照物，因此可以想像為一束由發(fā)光體射向被照物的高速微粒。這學(xué)說很直觀地解釋了光的直進(jìn)及反射折射等現(xiàn)象，曾被普遍接受；直到19世紀(jì)初光的干涉等現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，才被波動(dòng)說所推翻。1905年提出光是一種具有粒子性的實(shí)物（光子）。但這觀念并不摒棄光具有波動(dòng)性質(zhì)。這種關(guān)于光的波粒二象性的認(rèn)識，是量子理論的基礎(chǔ)。 光的波動(dòng)說 關(guān)于光的本性的一種學(xué)說。第一位提出光的波動(dòng)說的是與牛頓同時(shí)代的荷蘭人惠更斯。他在17世紀(jì)創(chuàng)立了光的波動(dòng)學(xué)說，與光的微粒學(xué)說相對立。他認(rèn)為光是一種波動(dòng)，由發(fā)光體引起，和聲一樣依靠媒質(zhì)來傳播。這種學(xué)說直到19世紀(jì)初當(dāng)光的干涉和衍射現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后才得到廣泛承認(rèn)。19世紀(jì)后期，在電磁學(xué)的發(fā)展中又確定了光實(shí)際上是一種電磁波，并不是同聲波一樣的機(jī)械波。1888年德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，從此奠定了光的電磁理論。這一理論能夠說明光的傳播、干射、衍射、散射、偏振等許多現(xiàn)象。但不能解釋光與物質(zhì)相互作用中的能量量子化轉(zhuǎn)換的性質(zhì)，所以還需要近代的量子理論來補(bǔ)充。 dispersion of light 介質(zhì)折射率隨光波頻率或真空中的波長而變的現(xiàn)象。當(dāng)復(fù)色光在介質(zhì)界面上折射時(shí)，介質(zhì)對不同波長的光有不同的折射率，各色光因折射角不同而彼此分離。1672年，牛頓利用三棱鏡將太陽光分解成彩色光帶，這是人們首次作的色散實(shí)驗(yàn)。通常用介質(zhì)的折射率n或色散率dn／dλ與波長λ的關(guān)系來描述色散規(guī)律。任何介質(zhì)的色散均可分正常色散和反常色散兩種。 復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象．讓一束白光射到玻璃棱鏡上，光線經(jīng)過棱鏡折射以后就在另一側(cè)面的白紙屏上形成一條彩色的光帶，其顏色的排列是靠近棱鏡頂角端是紅色，靠近底邊的一端是紫色，中間依次是橙黃綠藍(lán)靛，這樣的光帶叫光譜．光譜中每一種色光不能再分解出其他色光，稱它為單色光．由單色光混合而成的光叫復(fù)色光．自然界中的太陽光、白熾電燈和日光燈發(fā)出的光都是復(fù)色光．在光照到物體上時(shí)，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收。如果物體是透明的，還有一部分透過物體。不同物體，對不同顏色的反射、吸收和透過的情況不同，因此呈現(xiàn)不同的色彩。比如一個(gè)黃色的光照在一個(gè)藍(lán)色的物體上，那個(gè)物體顯示的是黑色，因?yàn)樗{(lán)色的物體只能反射藍(lán)色的光，而不能反射黃色的光，所以把黃色光吸收了，就只能看到黑色了。但如果是白色的話，就反射所有的色。 光的實(shí)質(zhì)：原子核外電子得到能量 躍遷到更高的軌道上 這個(gè)軌道不穩(wěn)定 還要躍遷回來 躍遷回來釋放出的就是一個(gè)光子 就是以光的形式向外發(fā)出能量 躍遷的能級不同 釋放出來的能量不同 光子的波長就不同 光的顏色就不一樣了 光到底是什么？是一個(gè)值得研究，和必需研究的問題。當(dāng)今物理學(xué)院就已經(jīng)又達(dá)到了一個(gè)瓶頸，即相對論與量子論的沖突，光的本質(zhì)是基本微粒還是像聲音一樣的波（若是波又在什么介質(zhì)中傳播）對未來研究具有指導(dǎo)性作用。 目前比較合理的觀點(diǎn)是光既是一種粒子同時(shí)又是一種波，具有波粒二相性，就像水滴和水波的關(guān)系。