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7.1: 光的波动本质
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The Wave Nature of Light
 
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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

Eq1

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。

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