Yak實(shí)驗(yàn)室?guī)椭⒆有纬捎?jì)算能力和計(jì)算思維的空間
光，在我童年的印象里，是充滿著神話般色彩的。不可觸摸，不可直視，不可追逐，轉(zhuǎn)瞬即逝，不可企及。 雖然我們每天都在接觸光、應(yīng)用光，但要問道：光是什么？卻很少有人能給出精確定義。不可觸碰到的光，是否能夠用能夠理解的實(shí)物去詮釋呢？
在19世紀(jì)中葉，蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克萊克·麥克斯韋爾寫了一組方程，麥克斯韋提出電場和磁場以波的形式以光速在空間中傳播，并提出光是引起同種介質(zhì)中電場和磁場中許多現(xiàn)象的電磁擾動(dòng)，同時(shí)從理論上預(yù)測了電磁波的存在。
麥克斯韋被普遍認(rèn)為是十九世紀(jì)物理學(xué)家中，對(duì)于二十世紀(jì)初物理學(xué)的巨大進(jìn)展影響最為巨大的一位。他的科學(xué)工作為狹義相對(duì)論和量子力學(xué)打下理論基礎(chǔ)，是現(xiàn)代物理學(xué)的先聲。
光是電磁波
池塘表面上的波浪是沿著正弦波形狀移動(dòng)的峰和谷的序列。 光波在數(shù)學(xué)上是類似的，除了它們是電磁的：正弦振蕩是電磁場的振幅。
圖1：光波。在每個(gè)框中，第一和第二波加起來是第三波。
當(dāng)相同波長的兩個(gè)波相遇時(shí)，它們的組合電磁場取決于它們的相對(duì)相位。 如果兩個(gè)波的峰一致，我們說波是同相的，然后兩個(gè)波相互加強(qiáng)，如圖中的左側(cè)框中所示。 但是如果一個(gè)波的峰與另一個(gè)波的波谷重合，則稱這些波是異相的，并且它們彼此抵消，如在右側(cè)框中所示。
嘗試 ：用圖形比較sin（x）和sin（x）+ sin（x）的圖形。 然后比較sin（x） ， sin（x + pi）和sin（x）+ sin（x + pi）的圖 。 你看到了什么？
雙縫實(shí)驗(yàn)
圖2：CD上的凹槽僅為0.5微米寬，并且形成良好的衍射光柵，導(dǎo)致有色干涉圖案。
由于光的波浪狀特征，當(dāng)它通過一對(duì)緊密分開的狹縫照射時(shí)被衍射：如果屏幕放置在狹縫后面一些，則在其上出現(xiàn)明暗條紋的圖案。 黑暗條紋出現(xiàn)在屏幕上的從兩個(gè)狹縫接收的光完全異相的點(diǎn)處。
圖3：雙縫實(shí)驗(yàn)
雙縫實(shí)驗(yàn)的基本儀器設(shè)置很簡單，如圖3所示，將像激光一類的相干光束照射于一塊刻有兩條狹縫的不透明板，通過狹縫的光束，會(huì)抵達(dá)照相膠片或某種探測屏，從記錄于照相膠片或某種探測屏的輻照度數(shù)據(jù)，可以分析光的物理性質(zhì)。光的波動(dòng)性使得通過兩條狹縫的光束相互干涉，形成了顯示于探測屏的明亮條紋和暗淡條紋相間的圖樣，明亮條紋是相長干涉區(qū)域，暗淡條紋是相消干涉區(qū)域，這就是雙縫實(shí)驗(yàn)著名的干涉圖樣。
圖4：干涉圖樣通常用于分析材料的結(jié)構(gòu)。 細(xì)微的結(jié)構(gòu)差異可以顯著地改變材料的性質(zhì)。 Heriot-Watt大學(xué)的研究人員正在使用該技術(shù)來幫助吉百利確保他們的巧克力總是以最好的方式凝固。
光是顆粒
一直到19世紀(jì)初，這是一個(gè)明確的概念，光是波浪狀的。但在20世紀(jì)初，顯而易見，它也是顆粒狀的。關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)是光電效應(yīng) ，其中當(dāng)用光照射金屬時(shí)，電子從金屬的表面逃逸。（Photoelectric Effect）是指光束照射在金屬表面會(huì)使其發(fā)射出電子的物理效應(yīng)。發(fā)射出來的電子稱為“光電子”。
當(dāng)光照射在金屬上時(shí)，一些電子實(shí)際上可以從表面逃逸出。逃逸的數(shù)量隨著光的強(qiáng)度而上升，但它們的逃逸能量不會(huì)。 而是取決于光的顏色，換句話說，就是其頻率 nu （發(fā)音為new ）。
阿爾伯特·愛因斯坦在1905年的這些性質(zhì)的解釋實(shí)際上是量子理論的開始。 光束可以被認(rèn)為是稱為光子的粒子的集合。 光子的數(shù)量與光的強(qiáng)度成比例，并且每個(gè)光子的能量E與其頻率成比例：
E = h.nu
這個(gè)公式已經(jīng)在1900年由德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克猜測，常數(shù)h以他命名。 在普通單位它是非常?。?/p>
h = 6.626E-34Js
當(dāng)光子中的一個(gè)擊中金屬并被其吸收時(shí)，電子從金屬中彈出，使得光子的能量被轉(zhuǎn)移成電子。 彈出電子的數(shù)量隨著光的強(qiáng)度而增加，因?yàn)楫?dāng)存在更多光子時(shí)，就存在更大的電子。
在研究光電效應(yīng)的過程中，物理學(xué)者對(duì)光子的量子性質(zhì)有了更加深入的了解，這對(duì)波粒二象性概念的提出有重大影響。根據(jù)波粒二象性，光電效應(yīng)也可以用波動(dòng)概念來分析，完全不需用到光子概念。
光子有多重？
光子以光速移動(dòng)，因此當(dāng)我們將它們視為粒子時(shí)，我們必須使用狹義相對(duì)論而不是牛頓力學(xué)。 根據(jù)愛因斯坦，速度為v （不要與希臘字母nu混淆）并且其休息質(zhì)量為m的粒子的能量為：
在該方程中， m是粒子的質(zhì)量， v是其速度， c是光速。 對(duì)于靜止的粒子，我們可以用0代替v，得到愛因斯坦的著名公式：
對(duì)于以光速移動(dòng)的粒子， v = c ，分母消失，因此只有當(dāng)分子也消失時(shí)，也可以具有有限能量，即m = 0。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)測試光子具有零質(zhì)量到非常高的精度：我們知道它們的質(zhì)量小于電子的質(zhì)量的10-18倍。
光子可能沒有質(zhì)量，但它們有動(dòng)量。 在牛頓力學(xué)中，粒子的動(dòng)量只是它的質(zhì)量乘以其速度; p = mv 。 然而，在狹義相對(duì)論中，粒子的動(dòng)量是：
嘗試 ：地球的質(zhì)量約為 6x10 24公斤，它每年圍繞太陽移動(dòng)一次，距離約為 1.5x10 11米。 使用計(jì)算器將牛頓的經(jīng)典值與地球的動(dòng)量與愛因斯坦的相對(duì)論值進(jìn)行比較。 光速約為3×10 8 ms -1。
你注意到這兩個(gè)值是什么？
使用相對(duì)論動(dòng)量方程，我們可以用它的動(dòng)量表示顆粒的能量如下：
對(duì)于光子，這很簡單：
E = cp
但是正如我們已經(jīng)看到的，能量也與光的頻率有關(guān)：
E = h.nu
當(dāng)我們組合這兩個(gè)方程時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)：
p = h.nu / c
這告訴我們對(duì)于頻率為nu的光的光子的動(dòng)量。
對(duì)于速度為c的波，波長為：
λ = c / nu
將這些公式放在一起我們發(fā)現(xiàn)：
λ = h / p
這是量子理論的根本關(guān)系之一！
這個(gè)方程是如此基礎(chǔ)，它適用于所有的粒子，而不只是光子。
嘗試 ：使用近地球在繞太陽的軌道上的動(dòng)量的近似，計(jì)算其波長， lambda 。 h 的值，普朗克常數(shù)的值在上面給出為大約6.626×10-34 Js。
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