对光的认识

对光的认识

对于光，我们既感到熟悉又陌生。在于我来说，我对光的认识比较深刻的有两方面：光的色散和光的性质。

一、对光的色散的认识。

人们常认为光是没有颜色的。但是，很多事实告诉我们，其实光也有着绚丽多彩的颜色。例如，彩虹，夏天雨后，在朝着太阳那一边的天空上，常常会出现彩色的圆弧；又如，极光，一种大自然天文奇观，发生只有在严寒的秋冬夜晚的高纬度的地区……等等的例子告诉我们，其实，光也有它美丽的颜色。

形成彩虹的原因就是下雨以后，天上悬浮着很多极小的水滴，太阳光沿着一定角度射入，这些小水滴就发生了色散，朝着小水滴看过去，就会出现彩色的虹。虹的颜色是红色在外，紫色在内，依次排列；北光，极光是原子与分子在地球大气层最上层(距离地面100-200公里处的高空)运作激发的光学现象。由于太阳的激烈活动，放射出无数的带电微粒，当带电微粒流射向地球进入地球磁场的作用范围时，受地球磁场的影响，便沿着地球磁力线高速进入到南北磁极附近的高层大气中，与氧原子、氮分子等质点碰撞，因而产生了“电磁风暴”和“可见光”的现象，就成了众所瞩目的“极光”。他没有固定的型态、颜色也不尽相同，颜色以绿、白、黄、蓝居多，偶尔也会呈现艳丽的洪紫色，曼妙多姿又神秘难测。但到底光有什么颜色呢？

通常，我们所见到的白光，其实是由由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各种色光组成的，由单色光混合而成的光叫做复色光。不能再分解的色光叫做单色光。复色光分解为单色光的现象叫光的色散．它表现为复色光分解为单色光而形成光谱的现象。色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。

牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到光的色散,把白光分解为彩色光带(光谱).色散现象说明光在媒质中的速度随光的频率而变.光的色散可以用三棱镜,衍射光栅,干涉仪等来实现。

其中，光的三原色就是红、绿、蓝。它们被称为光的“三原色”因为自然界红绿蓝三种颜色无法用其它颜色混合而成的，而其他颜色可以通过红、绿、蓝光的适当混合而得到的，因此红、绿、蓝三种颜色被称为光的“三原色”。牛顿指出，还可以用另一种方法把色光重新复合为白光．把光谱画在圆盘上成扇形，然后高速旋转这个圆盘，圆盘就呈现白色．这种实验效果一般称为“视觉暂留效应”．眼睛视网膜上所成的像消失后，大脑还可以把印象保留零点几秒种．从而，大脑可将迅速变化的色像复合在一起，就形成一个静止的白色像．在电视屏幕上或电影屏幕上，我们能够看到连续的图像，其原因也正在于利用了人的“视觉暂留效应”．

牛顿通过一系列的色散实验和理论研究，把结果归纳为几条，其要点如下：

①光线随着它的折射率不同而颜色各异．颜色不是光的变样，而是光线本来就固有的性质．

②同一颜色属于同一折射率，反之亦然．

③颜色的种类和折射的程度为光线所固有，不因折射、反射和其它任何原因而变化．

④必须区别本来单纯的颜色和由它们复合而成的颜色．

⑤不存在自身为白色的光线．白色是由一切颜色的光线适当混合而产生的．事实上，可以进行把光谱的颜色重新合成而得到白光的实验．

⑥根据以上各条，可以解释三棱镜使光产生颜色原因与虹的原理等．

⑦自然物的颜色是由于该物质对某种光线反射得多，而对其他光线反射得少的原因．

⑧由此可知，颜色是光（各种射线）的质，因而光线本身不可能是质．因为颜色这样的质起源于光之中，所以现在有充分的根据认为光是实体．

那么，光的颜色到底是怎么形成的呢？

其实，光波都有一定的频率，光的颜色是由光波的频率决定的，在可见光区域，红光频率最小，紫光的频率最大，各种频率的光在真空中传播的速度都相同，等于3. 0×10ˇ8m/s．但是不同频率的单色光，在介质中传播时由于受到介质的作用，传播速度都比在真空中的速度小，并且速度的大小互不相同．红光速度大，紫光的传播速度小，因此介质对红光的折射率小，对紫光的折率大．当不同色光以相同的入射角射到三棱镜上，红光发生的偏折最少，它在光谱中处在靠近顶角的一端．紫光的频率大，在介质中的折射率大，在光谱中也就排列在最靠近棱镜底边的一端。

二、对光性质的认识。

那至于人对光的性质方面的认识，就更经历了更长的时间更多的争持。早在古代，人类对实物和光就有了一定的认识。随着近代自然科学的建立，实物和光在物理学和化学中被系统地加以研究。但是，直到19世纪，实物和质量，光和能量还被人为地混淆在一起。在这个时期，人们认为实物是由单个的粒子构成的，是由被赋予一定质量(原子量和分子量)的原予和分子构成的，实物具有间断的结构。在实物结构中不容许任何非连续性。关于光，在牛顿时代就存在着微粒说和波动说的斗争。可是，随着光的干涉、衍射的发现，托马斯•扬和菲涅耳在19世纪复活了光的波动论，从此波动说在光学中占了上风。光与运动相提并论，被视为剥夺了重量和质量的能量形式。光是波动的，因此具有连续性的结构。就这样，实物和光在性质和结构上是绝对对立的，二者之间既没有任何统一，也根本不容许它们相互转化。但后来经过一系列的争论与研究后，发现光像实物一样也具有质量。光呈现为一种内部矛盾的现象：光像波一样传播着，此时表现出自己的波动性，由此产生出光的干涉和衍射现象；光在发射和吸收时，这些过程不是以连续的" 流'进行的，而是以间断的份额、以量子进行的。这直接证实了辩证唯物主义关于自然界没有截然的分离、没有绝对的界限的观点，同时也十分清楚地显示出，世界的统一性的确在于它的物质性，因为光的物质性的发现直接导致光作为物质的另一种物理形式同实物的统一。

这里需要说明的是，光所具有的质量没有力学性质。据现代物理学的观点，光的特点是没有" 静止质量" ，也就是说光的静止质量等于零。按其本性光的质量具有电磁特性，它与运动着的电子的质量一样，可以称为" 运动质量" (以区别于" 静止质量" )，光所固有的全部质量都是" 运动质量" 。这意味着，光不能以静止的状态存在，不能把光想像为相对静止。如果在光的通道上设置绝对黑体，使光" 停顿" ，那么这个绝对黑体将吸收光，光将经受质的转化，转变为运动着的物质的另外的形式，如转变为热的形式。这又证明了辩证唯物主义的一条原理：物质只是在运动中存在，世界是运动着的物质。就这样，在20世纪初，实物和光之间的人为分离开始得到消除。但是在此时，人们认为实物并不具有波动性，而且光和实物之间依然不能相互转化。物质的两种物理形态由原先的分离走向统一的认识过程，是在光学领域开始的，接着进一步在物理学的其他领域，首先是在电子物理学领域延续和深化。由于普朗克的量子论，以实物和光的分离为基础的旧观念已发生了严重的动摇。人们不禁要问，如果光不仅是连续的、波动的过程，而且也是间断的、具有量子特征的过程，那么难道不应当预期，实物不仅表现出间断的、原子的特征，而且也表现出波动的、连续的特征吗?法国物理学家德布罗意就是这样设想的。他在1924年11月25日进行的论文答辩中，从爱因斯坦的光的波粒二象性出发，依据形式上的类比，提出了物质波的大胆假设，认为以前只是属于光的波动特征，同样也应该在实物(例如电子)身上表现出来。