7.1: 光的波动本质

自古以来，光的性质一直是人们研究的主题。在17世纪，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）用透镜和棱镜进行了实验，并能够证明白光是由彩虹的各个颜色组合而成的。牛顿用”微粒”的光学原理解释了他的光学发现。光的视图，其中光是根据牛顿运动定律由极细小粒子流组成的，它们以高速行进。 十七世纪的其他人，例如克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens），已经表明，光的反射和折射等光学现象可以像光一样高速地解释为通过在称为”光以太”的介质中高速传播。被认为会渗透到所有空间。十九世纪初，托马斯·杨（Thomas Young）证明，穿过狭窄，间隔很小的狭缝的光会产生干涉图案，这种干涉图案不能用牛顿粒子来解释，而可以用波来简明地解释。在19世纪后期，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）发展了他的电磁辐射理论并表明光是电磁波频谱中的可见部分之后，光的粒子视图就彻底被抹黑了。

到19世纪末，科学家认为物理宇宙大致包括两个独立的域:由按照牛顿运动定律运动的粒子组成的物质，以及由麦克斯韦方程描述的波组成的电磁辐射。今天，这些领域被称为经典力学和经典电动力学（或经典电磁学）。尽管在此框架内无法解释一些物理现象，但当时的科学家对该框架的整体健全性非常有信心，以至于他们将这些像差视为令人困惑的悖论，最终将在该框架内以某种方式解决。这些悖论导致了一种当代框架，该框架在称为波粒对偶性的基本水平上紧密地连接了粒子和波，从而取代了经典观点。

可见光和其他形式的电磁辐射在化学中起着重要作用，因为它们可用于推断原子和分子中电子的能量。许多现代技术都基于电磁辐射。例如，手机发出的无线电波，牙医使用的X射线，微波炉中用来烹饪食物的能量，炽热物体产生的辐射热以及电视屏幕发出的光都是电磁辐射的形式，所有这些表现出波状行为。

波

波是一种振荡或周期性运动，可以将能量从空间中的一个点传输到另一个点。波的常见例子无处不在。摇动绳子的一端会将能量从您的手转移到绳子的另一端，将鹅卵石掉入池塘中会导致波浪沿水面向外波纹，并且伴随雷击而产生的空气膨胀会产生可以向外传播数英里的声波（雷声）。在每种情况下，动能都通过物质（绳索，水或空气）传递，而物质基本上保持在原位。

波不必局限于穿越物质。正如麦克斯韦（Maxwell）所言，电磁波由一个电场和一个垂直磁场共同振荡而成，这两个场都垂直于行进方向。这些波可以以2.998 × 10⁸ m/s （米每秒，即光速，以 c 表示）的恒定速度通过真空传播。

所有波，包括电磁辐射的形式，都以波长（以小写的希腊字母λ表示）、频率（以ν表示，小写希腊字母nu）以及振幅。

波长是波中两个连续的峰或谷之间的距离（在SI国际单位制中以米为单位）。电磁波的波长落在一个很大的范围内-已经观察到从千米（103 m）到皮米(10−12 m) 的波长。频率是在指定的时间内通过空间中的指定点的波周期数（在SI国际单位制中，以秒为单位）。一个周期对应一个完整的波长。频率的单位表示为每秒的周期数[s⁻¹]，为赫兹（Hz）。该单位的常见倍数是兆赫兹 (1 MHz = 1 × 10⁶ Hz) 和千兆赫兹(1 GHz = 1 × 10⁹ Hz)。 

振幅对应于波的位移的大小，这对应于峰谷之间的高度的一半。振幅与波的强度有关，光的强度是亮度，声音的强度是响度。波的波长（λ ）和频率（ν ）λν 的乘积是波速。因此，对于真空中的电磁辐射，速度等于基本常数 c :

波长和频率成反比:随着波长的增加，频率降低。电磁频谱是所有类型的电磁辐射的范围。

本文改编自 Openstax，化学2e，第6.1节:电磁能量。