光学小知识

光的概念

光是一个物理学名词，其本质是一种处于特定频段的光子流。由光子等基本粒子组成，同时又是一种电磁波，具有波粒二象性，我们平时看见的光是指400nm-700nm光谱间的可见光。

      光色波长（nm）     带表波长（nm）

      红    780-630             700

      橙    630-600             620    

      黄    600-570             580

      绿    600-570             550

      青    500-470             500

      蓝    470-420             470

      紫    420-380             420

光的特征

光同时具备以下四个重要特征：

1、在几何光学中，光以直线传播。笔直的“光柱”和太阳“光线”都说明了这一点。

2、在波动光学中，光以波的形式传播。光就像水面上的水波一样，不同波长的光呈现不同的颜色。

3、光速极快。在真空中为299792458≈3×10⁸m/s，在空气中的速度要慢些。在折射率更大的介质中，譬如在水中或玻璃中，传播速度还要慢些。

4、在量子光学中，光的能量是量子化的，构成光的量子（基本微粒），我们称其为“光量子”，简称光子，因此能引起胶片感光乳剂等物质的化学变化

光的传播规律

光在同种均匀介质中沿直线传播。小孔成像、日食和月食还有影子的形成都证明了这一事实。 撇开光的波动本性，以光的直线传播为基础，研究光在介质中的传播及物体成像规律的学科，称为几何光学。在几何光学中，以一条有箭头的几何线代表光的传播方向，叫做光线。

几何光学把物体看作无数物点的组合（在近似情况下，也可用物点表示物体），由物点发出的光束，看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传递方向。

几何光学中光的传播规律有三：

（1）光的直线传播规律已如上述。大地测量也是以此为依据的。

（2）光的独立传播规律。两束光在传播过程中相遇时互不干扰，仍按各自途径继续传播，当两束光会聚同一点时，在该点上的光能量是简单相加的。

（3）光的反射和折射定律。光传播途中遇到两种不同介质的分界面时，一部分反射，一部分折射。反射光线遵循反射定律，折射光线遵循折射定律

光的散射、反射与吸收

光散射

根据科学家的测定，蓝色光和紫色光的波长比较短，相当于“小波浪”；橙色光和红色光的波长比较长，相当于“大波浪”。当遇到空气中障碍物的时候，蓝色光和紫色光因为翻不过去那些障碍，便被散射得到处都是，布满整个天空，就是这样被散射成了蓝色。这是130年前诺贝尔奖获得者瑞利发现的。当太阳落山时的傍晚，天空不显现蓝色而显现红色，正在下落的太阳变成暗红色，也是一样的道理。原来在傍晚温度下降，湿度增加，颗粒物浓度升高，光遇到的更多的微粒，使得阳光中的紫色和蓝色的部分看不见了，仅留下一点点颗粒物吸收的橙红色光线经再次辐射而形成的光线，因而出现红色或暗红色。

光反射

太阳光在照射地球过程中，一部分辐射被大气层反射，一部分被陆地、水面等反射，还有一部分被冰雪反射。为什么地球赤道如此炎热，而南北两极如此寒冷？从太阳照射间距离和角度分析，其吸收的热能不可能相差如此之大。主要是地磁场的作用引起的，由于两极地磁场磁力线非常密集，说明其磁场比较大，磁力线是直线的，光进入磁场中沿磁力线传播，难以交叉碰撞，反射非常强烈，产生热非常少。加上两极人类活动少，排放的固体颗粒物少，空气中其他气体分子少，光辐射气体、固体或液体进行散射也少，因此，其温度非常低，最终出现寒极。

光吸收

电磁辐射与物质的作用本质是物质吸收光能后发生跃迁。跃迁是指物质吸收光能后自身能量的改变。因这种改变是量子化的，故称为跃迁。不同波长的光，能量不同，跃迁形式也不同，因此有不同的光谱分析法   。

光的效应 

当紫外线照射到金属的表面时，金属内部的自由电子会逸出金属表面，这种紫外线的光致电子发射构成了紫外线光电效应的一部分。紫外线的光电效应是光能转换为电能的一种方式。光电效应分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。紫外线照射能产生光电效应的材料除了金属、半导体外，还有某些气体和一些化学物质，人与动植物被照射后也能产生光电效应。

光化学效应 

紫外线照射某些物质时能产生光化学反应。波长在200~400纳米的紫外线所具有的能量（3~6eV）正是许多物质（化学键能也在3~6eV的范围内）吸收后产生光化学反应所需的能量。尤其是短波紫外线的光子能量较大，对光化学反应特别有效，能直接引起一些物质的化合和分解。

声光效应

介质中存在弹性应力或应变时，介质的光学性质（折射率）将发生变化，这就是弹光效应。当超声波在介质中传播时，由于超声波是一种弹性波，将引起介质的疏密交替变化，或者说引起弹性形变，由于弹光效应，将导致介质光学性质发生变化，从而影响光在其中的传播特性。通常，把超声波引起的弹光效应叫声光效应。

光源 

正在发光的物体叫光源，“正在”这个条件必须具备，光源可以是天然的或人造的。物理学上指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线、X射线等不可见光）的物体。

光源主要可以分为三类。

第一类 是热效应产生的光。

太阳光就是很好的例子，因为周围环境比太阳温度低，为了达到热平衡，太阳会一直以电磁波的形式释放能量，直到周围的温度和它一样。

第二类是原子跃迁发光。

荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光。此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的特征谱线。科学家经常利用这个原理鉴别元素种类。

第三类是物质内部带电粒子加速运动时所产生的光。

譬如，同步加速器工作时发出的同步辐射光，同时携带有强大的能量。另外，原子炉（核反应堆）发出的淡蓝色微光（切伦科夫辐射）也属于这种。