Question

光的性质

Answer 1

光是什么?它在空间是怎样传播的?它在真空中的传播速度有多大?这些问题对晶体光学来说都是非常重要的。关于光曾经有两种学说：一种是牛顿的微粒说，认为光是沿直线高速传播的粒子流；另一种是惠更斯的波动说，认为光是某种振动以波的形式向外传播。

直到19世纪后期随电磁学的发展，麦克斯韦和赫兹分别从理论和实验上证明了光的电磁性，确定了光实际上是一种电磁波。电磁波是电磁振动（变化的电磁场）在空间的传播。光波和无线电波一样，都是电磁波，它们在真空中的传播速度均为c=3×10⁸ m/s，即每秒30万千米。

到了20世纪初，许多有关光和物质相互作用的现象，如光电效应，不能用波动说来解释，这促使爱因斯坦在1905年提出了光子假说，光子假说成功地解释了光电效应：把光当作一种电磁波，又把光看作由光子组成，由此认识到光既有波动性，又具粒子性，得出光具有波粒二象性的结论。光的粒子性可以用光子能量（E）和动量（P）来表征，光的波动性则用电磁波的频率（f）和波长（λ）来描述。

光作为电磁波，可以用两个相互垂直振动的电矢量与磁矢量来表示，电磁波的传播方向为E和H的垂线方向C（图1-1），光学中一般只考虑电矢量的振动（因为人眼对电矢量敏感），称光振动。

电磁波的振动方向与传播方向互相垂直，即电磁波是横波，故光波亦是横波（图1-2）。光波是横波，在晶体光学中不少现象（单偏光、正交偏光、干涉）都与此相关。

图1-1 电磁波的电矢量和磁矢量与传播方向的关系（据Wahlstrom，1979）

图1-2 自然光的振动方向与传播方向相互垂直

电磁波谱具有一个广阔的区段，根据其波长大小可依次划分为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线、宇宙射线（图1-3）。

图1-3 电磁波谱与可见光谱波长比较

从电磁波谱中可看出，可见光谱在电磁波谱中是一个很窄的区段，其波长范围大致为390～770 nm，波长由短至长相应的颜色次序为：紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红七色。通常所见的“白光”没有一定的波长，它是七色光按比例组成的混合光。每一种单色光都有其特定波长，如580 nm的光是一种黄光（图1-3）。

从一个颜色到另一个颜色，并不是截然分开的，而是逐渐过渡的，因此这些波段分法只是一个大概的数字。如果光谱中各个波长的强度大致相等，那么我们看见的就是白光，如太阳光。

描述光波的基本物理量有光速、波长、周期、频率和振幅。

光速（Velocity）：真空中光速用c表示，是一个常数：c=3×10⁸ m/s。

在介质中光速（V）与介质折射率N有关：。

波长（Wavelength）：波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿光的传播方向，两个相邻的同位相点（如波峰或波谷）间的距离，以λ表示。波长等于光速和周期的乘积，即：λ=c×T。波长单位通常用纳米（nm）或埃（Å）表示。它们与其他长度单位的换算关系为：1 nm=10^-3μm=10^-6mm=10^-7cm=10 Å。

周期（Periods）：波源完成一次振动所需的时间称为周期，以T表示。

频率（Frequency）：波源在1秒内振动的次数称为频率，以f表示（f=c/λ）。例如紫外线波长λ=3000 Å，其频率f=3×10¹⁸/（3×10³）Hz=1×10¹⁵ Hz。

振幅（Amplitude）：质点在振动方向上距平衡位置的最大位移距离，称为振幅，以A表示。

位相（Phase）：是描述物体振动状态的物理量，它与物体离开波源的距离及时间有关：

晶体光学与造岩矿物

φ_o———初相位（与波源有关）；x———距离；

t———时间。

位相差（Phase difference）：是指两束波长、振幅、传播方向相同的相干波到达空间某点时，两光波的位相之差。

图1 4 光谱以三种数字方式标志颜色（据拿骚，1991）

另外，光谱颜色除用波长表示外，还可用频率及能量表示，例如黑色火钳放在火中，随温度升高，它的颜色便会发生变化，从黑色经历红与黄到蓝白色，这个序列必然相应于光能的增加。物质越热，物体中的原子振动能就越大，能量也就越高，有相应的光的频率与之对应。这种对应关系表示在图1-4中。图1-4说明了光谱以许多方式中的三种方式来标志颜色：频率，单位为赫兹（Hz）；波长，单位为纳米（nm）；能量，单位为电子伏（eV）。波长和能量成反比，即能量越大，波长越短。

Answer 2

光子的集合体呈波动性，光子的个体呈粒子性。(中国王氏2020)