一、光物质
光物质有光炁粒和光炁流两种。光炁流也叫做光能、光线，简称光，光炁粒也叫做光源、发光体。光炁流是由光炁粒生产出来的。光源是指能够直接生产光的炁粒，是能够发光的炁粒，反光的炁粒（例如镜子和月亮）不叫做光源。光是炁体的线状流，如同水线一样。光粒子简称光子，就是光炁流子，不属于量子。
1、光源。
光源就是把其他形式的能转变成为光能的装置。光源发光时，不断辐射出光能。
光源的种类。不同的光源生产不同的光。形成光的物质主要是光学晶体，其次是金属蒸汽、气体分子、液体、有机分子等。根据光源的物态可以分为固体光源（例如电灯）、液体光源（例如经过紫外线照射的煤油和松节油）和气体光源（例如日光灯、煤气灯），根据光的来源可以分为天然光源（例如阳光、星光、萤火虫、电光鱼、闪电、磷光）和人造光源（灯光、火炬、火光），根据光源的冷热程度可以分为热光源（把热变成光的光源，例如太阳、弧光灯、火炬）和冷光源（把化学能、机械能变成光的光源，例如日光灯、萤火虫），根据光的传播形态可以分为点光源（很小的光源，发出的光是向四周传播的）和平行光源（平行传播光的光源）。热光源是最方便的，却是最浪费能量的，90%以上的能量以热的方式浪费了。冷光源是最节能的光源，能够把90%以上的能量变成光。
炁学提示：光源是能够发光的炁粒。光起源于原子炁子。光炁流是由原子炁子辐射出来转变而成的炁流，形成了光谱现象，所以叫做原子光谱。
2、光的种类。
光有可见光和不可见光、冷光和热光、单色光和复色光。可见光有白、红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫、激光等，不可见光有红外光、紫外光、x光等。
炁学提示：在光谱范围内，光炁流有无限多种，形成了连续光谱现象。每条光谱线代表一类光炁流，是由无数光炁流形成的。光炁流线的粗细和长短不同就是不同的光。一个光炁流只能够形成一个几乎看不见的点，众多的一样大小的光炁流形成了一条光谱线。不同的光炁流有不同的光色。
3、光的波动性。
光是什么？有人认为光是电磁波，有人认为光是粒子。波动学说能够解释光的波动现象，粒子学说能够解释光的粒子现象。最后得出光是粒子也是波，叫做光的波粒二象性。光的学说还没有一个完善的能够解释一切光现象的统一的理论。
西学对光的认识是从光现象开始的。首先惠更斯认为光是波。后来英国的麦克斯韦在1864年进一步认为光是一种电磁波，指出：“光和电磁波一样能够在真空里传播，传播速度相同，都能够发生反射、折射、干涉、衍射等现象，所以光现象实质上是一种电磁现象，光波就是一种频率很高的电磁波”。赫`兹用实验验证了光和电磁波一样能够产生相同的传播现象，证实了光波在本质上就是电磁波。1891~1893年，科学家测出了电磁波的传播速度和光速相近，后来麦斯尔精确测得电磁波的传播速度是299780公里/秒，这同光速299792公里/秒十分符合（少12公里/秒）。因此认为光就是一种电磁波，一切光都是波长不同的电磁波。
1）、光的干涉现象。法国的菲涅耳（1788~1827）利用双镜实验发现了光的干涉现象。光和波一样有干涉现象，这是光波迭加的结果，表明光有波动性。光的干涉可以用来检测物体表面的光滑程度。单色光没有干涉现象。
2）、光的衍射现象。光和波一样有衍射现象发生。光通过小孔或者狭缝都会发生衍射现象。光的衍射现象再次证明光具有波动性。光是一孔就能够衍射和干涉同时发生，波要两孔才能够干涉，这是光和波不同的地方。
3）、光的色散。光通过棱镜会发生色散而形成光谱。棱镜能够分解出光的成分，形成光谱现象，这个叫做分光术，是分析光的种类的基本方法。1814年，德国的夫琅和费制成第一架分光镜，并且发现了太阳的光谱线。夫琅和费在1817年又发现了太阳光谱里的暗线。这些太阳光谱线就叫做夫琅和费线。1859年德国的基尔霍夫发表了分光学基本定律——基尔霍夫定律。光谱是由各种有色光形成光带的光现象。每种色光都只含有一种成分，不能够再分解，叫做单色光。单色光有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种。白光是由七种单色光混合而成的。混合光叫做复色光。把复色光分解成单色光的现象叫做光的色散。色散的发现对光学研究有重要的促进作用。根据波动方程c=fλ，可以进行频率f和波长λ的换算，c为光速。
光谱颜色同光源的温度是有关系的。温度比较低的天体呈红色，温度很高的天体呈现蓝色，之间有黄色天体、白色天体。
图4.97光的色散
光的颜色是由光的频率决定的。实验测定结果如下表所列：
表4.2光谱的频率
光谱
频率（×1014赫兹）
波长(×103埃）
红外
10—2~3.9
3×103~7.7
红
3.9~4.7
7.7~6.4
橙
4.7~？
6.4~？
黄
？~5.2
？~5.8
绿
5.2~6.1
5.8~4.9
蓝
6.1~？
4.9~？
靛
？~6.7
？~4.5
紫
6.7~7.5
4.5~4.0
紫外
7.5~500
4.0~0.1
实验指出：在同一种媒质里，频率小的色光的速度大。由n=c/v知道，它的折射率就比较小。由n=sinα/sinγ，因为入射角α是一样的，所以折射角γ大，出现了光的色散现象。
光的色散形成了虹、霓、天空的兰色等天空里的光现象。虹和霓（副虹）是阳光经过空气里的水雾形成的色散现象。虹的外面红里面紫，霓正好相反。
天空是蓝色的，是因为大气层的分子对阳光的散射作用。研究表明：波长越短（就是频率越高）的光，被散射越多。蓝光波长比较短，其散射作用比红光强大10倍以上。散射的光存在在天空里射我们看到了蓝色。而且由于大气分子的散射作用，使日出和日落时看起来是嫣红色的。
物体的颜色是一定频率的光波射入人眼所引起的一种视觉。白光照射到透明物体时，主要只有同颜色的色光能够透过，其他色光几乎被吸收了，物体的颜色由能够透过的光色决定，如果七种色光都能够透过，就是无色透明体。而白光照射到不透明物体时，主要只有同颜色的色光能够被反射，其他色光几乎被吸收了，物体的颜色由所反射的光色决定；如果七种色光都能够被反射就是白色的不透明体，如果色光几乎全部被吸收就是黑色的不透明体。物体的颜色是指表面一层颜色。物体所透过或者反射的是以本色为主的单色，其中还有临近的单色存在，所以调色（两种以上的单色颜料组成的混合色颜料）的颜色同样是由所透过或者反射的光成分决定的。
1800年英国的赫谢耳（1738~1822）发现了红外光，也叫做红外线。红外光是比可见光的频率小（波长大）的不可见光，其特征是热作用很强，属于热光。烘干东西用热空气需要几十小时，用红外线只需要几十分钟。红外线穿透云雾的本领很强，不发生散射现象，有感光作用。红外光可用于烘干、加热、制导、通讯、定位、跟踪、摄影、作物处理、医疗等方面。经过红外线处理的种子，发芽率高、生长快、产量高。
1802年德国的里特（1766~1810）发现了紫外线，也叫做紫外光。紫外光的频率比紫光更高，波长更短，具有很强的荧光作用，能够使很多东西产生荧光。日光灯就是利用紫外线的荧光效应制造的，效率很高，是一种很经济的冷光源。紫外线的生理作用也很强，能够杀菌、消毒、使皮肤变黑，可以用来治疗皮肤病、软骨病等。适当的日光浴对身体是有益的，因为阳光里有紫外线。太强的紫外线会对人体皮肤和眼睛造成伤害。大气层的臭氧层能够吸收太阳光里的大部分紫外线，对保护地球生物有重要的意义。化学物质使臭氧层破坏了，太阳紫外光大量穿透大气层，使皮肤癌发病率增多了。
1895年德国的伦琴（1845~1923）发现了x射线，也叫做伦琴射线、x光。这是比紫外线频率更加高、波长更加短的光，为5×1016～3×1020Hz，6×10-7～10-10cm。生产这种射线的仪器叫做伦琴射线管。用射线管生产的高速电子束照射玻璃或者金属就能够产生x射线。x射线有很强的穿透能力，波长越短的射线越硬，穿透物体的能力也越强。x射线的穿透能力同物体的密度成反比，密度越密穿透越浅。穿透越深，减弱越厉害。波长越长的x射线越容易被吸收，几十埃的几乎不能够通过空气，全部被吸收了，实用的是1埃以下的x射线。有荧光作用，可以使相底感光，使气体电离。可以用来透视物体、杀菌、治疗肿瘤。1912年德国的劳厄观测到了x射线的衍射现象。
测量得到电磁波谱如下：
表4.3电磁波谱的频率
电磁波种类
频率（赫兹）
真空中的波长（厘米）
无线电波
105～3×1012
3×105～10-2
红外线
1012～3.9×1014
3×10-2～7.7×10-5
可见光
(3.9～7.5)×1014
(7.7～4)×10-5
紫外线
7.5×1014～5×1016
4×10-5～6×10-7
χ射线
5×1016～3×1020
6×10-7～10-10
γ射线
≥3×1019
≤10-9
光能是1012～1020Hz的电磁波。可用E=mc2、c=λf、E=hf进行单位换算，h=6.62×10-27尔格秒=4.14×10-15电子伏特秒，c=3×1010cm/s。
炁学揭密解惑：光就是光，光不是电磁波。光和电磁波都是炁流，但是有不同的现象和特征。光炁流是线段状的，电磁波是球面状的。
4、光的粒子性。
也叫做光的量子性。17世纪，法国的开普勒认为光是发光体发射的物质。牛顿在1704年发表的《光学》专著，标志着光学的成熟。他把光当作光粒子，用力学原理解释光。可见对光的粒子性的认识要比波动性早近2个世纪。光的粒子性可以用光电效应证实。1887年，赫兹发现，紫外线照射能够使高压极板产生火花放电现象。1888年，俄国的斯托列托夫（1839~1896）进一步发现，紫外线照射低压的负电极板也能够使极板失去负电荷。我们把这种金属因为受到射线照射失去负电荷的现象叫做光电效应。实验证明，紫外线不能够使之失去正电荷。1899年普朗克提出了光量子概念，认为光的电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，其能量E=hγ，γ为光的频率，h为普朗克常数，实验测得h=6.63×10—3Js，后来把这每一份能量叫做光子。1900年，普郎克从光粒子角度得到了辐射方程。同年，俄国的列别捷夫（1866~1912）发现光对固体有压力作用，认识到光就是一种物质，所以它在真空里传播不需要依靠其他媒质。光谱学的诞生和成长促使光量子力学诞生。
下面是斯托列托夫的实验。让射线从金属网上照射到带负电的金属板上时，有电流形成。如果金属板接的是正极，就没有电流形成。实验证明：任何金属受到射线的照射都能够发生光电效应，只是有的金属需要用紫外线照射，有的金属只需要用可见光照射。每种金属都有一个最低的频率γ0，大于该频率的射线即使很弱也能够发生光电效应，低于该频率则不能够发生光电效应。改变光的强度，只能改变电子数目，不能够改变电子的速度和动能；光的频率变大，电子速度和动能就变大。
图4.98斯托列托夫的实验
1905年，爱因斯坦提出了光的波粒二性，就是说光不但有能量，而且还有质量，因此他提出了光子的存在和光子理论（光的量子理论）。从此光独立出来了，不再是射线和电磁波的附属品。光子理论是爱因斯坦为了解释光电效应现象在1950年提出来的。光子理论指出：物质的分子和原子所发射的光，不是连续不断的波，而是由特殊物质组成的微粒，这种物质微粒就是光子、光量子。光子是光的最小单元，它的能量同光的频率成正比：ε=hγ。爱因斯坦还给出了下面的公式：
，
式中p叫做脱出功，m和v为电子的质量和速度。不同的金属有不同的p值。只有光的hγ大于p才能够形成光电效应。
实验证明，光电效应有两种：一种是光使半导体和绝缘体形成的光电效应，叫做内光电效应，是原子的电子受到激发形成的，增加了导电性，应用于光导管（也叫做光敏电阻）的制造，广泛应用于电子技术中。1873年史密斯观察到硒的光电导性。利用硒的光电导性制造的光电管、光导管可以利用光控制电。另外一种是光使导体形成的光电效应，叫做外光电效应，是自由电子激发形成的。光电管就是利用碱金属的外光电效应制成的二极电子管，广泛应用于自动控制、无线电传真、有声电影等电子技术中。
光电效应证明，光具有粒子性、量子性。光子理论说明了光的量子性。光是由特殊物质组成的光量子，是一份一份地在空中以巨大的速度传播着。检测光的量子性的实验证明：光是不连续的光量子而不是连续对称的波。
光的波粒二象性。实验证明，光同时具有波动性和量子性（粒子性），叫做光的波粒二象性。光既是粒子又是波，它的静止质量为0，它由物体产生，又由物体吸收，它以不变的光速运动，它能够把全部能量传给电子后消失，形成光电效应，它们相互作用时会形成电子而形成湮灭现象。当观测仪器的线度大于波长时，主要体现为粒子性，当等于或者小于波长时，主要体现为波动性。无线电波频率比较低，波长比较长，容易显示波动性，而它的光子能量很低，不容易观察到它的粒子性。可见光的波长为几千埃，光子能量约几eV，容易检测到它的波粒二性。x射线的光子能量很高，容易显示出粒子性，不容易观测到它的波动性。对于γ射线，至今没有观测到它的波动性。近代物理学研究表明：比分子小的微粒都具有明显的粒子性和波动性，波粒二象性是物质共同的属性。物质的波长公式：λ=h/mv，m为物质的质量，λ为波长，v为速度。
炁学提示：光炁流是线段状的炁流。一个光炁流可以叫做光炁流子、光子。光属于炁流，光子是炁流子。光子不属于量子，因为光子不能够生产电场和磁场，也没有静止质量。光的粒子性是针对光子（光的静态）而言的，光的波动性是针对光的流动性（光的动态）而言的。一个个流动着的光子形成了光波现象，就如同对喷射的水流一样，对于水流而言有波动性，对于单个水线、水粒而言则为粒子性。如果水线比较长就只能够看出其波动性而看不出其粒子性，如果水线比较短小就只能够看出其粒子性而看不出其波动性，只有长短适合的水线才能够同时看见其波动性和粒子性。光电效应是光炁流变成电炁流的现象，是通过原子炁子实现的。光的吸收是光炁流转变成原子炁子的过程。
图4.99光炁流的形状
5、光的多普勒效应。
光和声波一样有多普勒效应。这是光源运动对光谱的影响。当光源运动时光谱会出现光的多普勒效应现象，在光谱上出现红移（远离时）和紫移（接近时）现象。这是因为，当第一个光波发射出去后，由于光源是接近我们的，第二个光波更近我们了，所以两个光波之间的距离接近了，使光的波长变短了。光源远离我们的情况也类似于此。波长变化与运动速度的关系是：
Z=△λ/λ0=v/c
Z为红移量，λ0为光源的原来波长，v为光源的运动速度，△λ为波长的变化值。
根据△λ可以求出速度v。金星逆向自转现象就是根据雷达波的多普勒效应测定发现的。由于河外星系的光谱线只有红移没有紫移，而且距离越远，红移量越大。根据红移值的计算结果知道，星系的运动速度为近光速、光速甚至是超光速，说明总星系里的河星系正在相互远离，显示“总星系在大爆炸之中”。
图4.100光的多普勒效应的机理
炁学提示：这个现象就像喷水一样，静止、前进和后退着喷洒水，结果水流的密度和强度是不同的，就有所差别，形成多普勒效应现象。前进时光炁流被压缩，后退时光炁流被拉伸。
6、光的塞曼效应。
这是磁场对光谱的影响。光源在磁场中就会出现光的塞曼效应，光谱会分裂成几条，从垂直磁场方向看分裂成三条，从平行磁场方向看分裂成两条，中间的看不见。这是由荷兰的塞曼在1896年发现的。这是因为原子能级在外磁场作用下发生了分裂。分裂距离与磁场强度成正比，由谱线的分裂距离可以计算磁场强度。天体的磁场就是利用这种方法知道的。
图4.101光的塞曼效应
此外，电场、压力等也可以改变光谱线，可以用来测定电场、压力、端动等。
炁学提示：磁场、电场、压力等对原子炁子变成光炁流有影响。