第一章 光的基本概念

第一节 光的性质

一、人类与光

光是自然的一个最基本的构成要素，它总是与空气、与自然景观、与最美丽时刻的记忆联系在一起。光辐射引起人的视觉，人才能够看见并认识所处的周围环境。人从外界获得的信息有80%来自光和视觉。人类对光有着本能的生理需求和心理依赖。

人类的生活离不开光。良好的光环境是保证人们进行正常工作、生活、学习的必要条件，它对于劳动生产率、生理与心理健康等都有直接影响。

二、光的性质

光是一种电磁辐射能，是能量的一种存在形式。当一个物体（光源）发射出这种能量，则即使没有任何中间媒质，也能向外传播。这种能量形式的发射和传播过程，就称为辐射。光在一种介质（或无介质）中传播时，它的传播路径是直线，称之为光线。

现代物理证实，光在传播过程中主要是显示出波动性，而在光与物质的相互作用中，主要显示出微粒性，即光具有波动性和微粒性的二重性。与之相对应的，关于光的理论也有两种，即光的电磁理论和光的量子理论。

（一）光的电磁理论

光的电磁波波动理论认为光是能在空间传播的一种电磁波。电磁波的实质是电磁振荡在空间的传播。电磁波在介质中传播时，其频率由辐射源决定，将不随介质而变，但传播速度将随介质而变。将各种电磁波按波长（或频率）依次排列，可以画出电磁波的波谱图，如图1-1-1所示。波长不同的电磁波，其特性也会有很大的差别。通常不同波段的电磁波是由不同的辐射源产生，它们对物质的作用也不同，因此具有不同的应用和测量方法，但相邻波段的电磁波没有明显的界线，因为波长的较小差别不会引起特性的突变。

电磁波的波长范围极其宽阔，而可见光只占其中极狭窄的一个波段。可见光与其他电磁波最大的不同是它作用于人的肉眼时能引起人的视觉。可见光的波长范围约为380～780nm。可见光波长不同时会引起人的不同色觉。将可见光按波长为380nm到780nm依次展开，光将分别呈现紫、蓝、青、绿、黄、橙、红色，如图1-1-2所示。

波长小于380nm（约100～380nm）的电磁辐射叫紫外线，波长大于780nm（约780nm～1mm之间）的辐射称为红外线。紫外线和红外线虽然不能引起人的视觉，但其他特性均与可见光极相似。通常把紫外线、红外线和可见光统称为光。

光的电磁理论可以解释光在传播过程中出现的一些现象，例如光的干涉、衍射、偏振和色散等。这说明光在传播过程中主要表现为波动性。

（二）光的量子理论

光的量子理论认为光是由辐射源发射的微粒流。光的这种微粒是光的最小存在单位，称为光量子，简称光子。光子具有一定的能量和动量，在空间占有一定的位置，并作为整体以光速在空间移动。光子与其他实物粒子不同，它没有静止的质量。

光的量子理论可以解释一些用光的电磁理论无法解释的现象，例如光的吸收、散射及光电效应等。上述这些现象都和光与物质相互作用有关，这说明光在与物质相互作用时，主要表现为微粒性。

入射：光线投射到表面为入射。

反射：光线或辐射热投射到表面以后又返回的现象。

折射：当光线倾斜地从一个介质射入另一个介质时改变光线的方向，在两种介质中光线的传播速度不同，如图1-1-3所示。

反射定律：当光线或声波被光滑表面反射时，入射角等于反射角，入射光线、反射光线和表面的法线都在同一平面内。

入射角：当光线射到表面上时，该光线与入射点处表面的法线形成的夹角。

反射角：反射的光线与入射点处反射表面的法线形成的夹角，如图1-1-4所示。

漫射：光经过凹凸不平的表面的漫反射，或通过半透明材料的无规律的散射，如图1-1-5所示。

透射系数：透过物体并由物体发射的辐射能与入射到该物体上的总能量之比。

反射系数：表面反射的辐射能与入射到该表面上的总辐射能之比。

吸收系数：表面吸收的辐射能与入射到该表面上的总辐射能之比。

折射角：折射的光线与入射点处两种介质交界面的法线形成的夹角，如图1-1-6所示。

绕射：当光波或声波发生弯曲绕过障碍物时，光波或声波的调整，如图1-1-7所示。

不透明的：光不能穿透的。

半透明的：能透射和漫射光线，但不能看清另一面的物体。

透明的：能够透射光线，因此能清楚地看到前面或后面的物体。

光的量子理论中光子的振动频率与相应的光的电磁理论中光波的振动频率是一致的。这是因为两种理论说明的是同一个物理现象，当然不能互相矛盾，只是前者主要从微观上讨论光，而后者则从宏观上研究光。