光到底是什么？

这个问题早就引起了人们的注意，不过在很长的时期内对它的认识却进展得很慢，直到17世纪才明确地形成了两种学说：一种是牛顿主张的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播；另一种是波动说，是跟牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯（ 1629—1695）提出的，认为光是在空间传播的某种波。

微粒说和波动说都能解释一些光现象，但又不能解释当时观察到的全部光现象.由于早期的波动说不能用数学作严格的表达和分析，再加上牛顿在物理学界的威望，微粒说一直占上风.
到了19世纪初，人们在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波动的特征，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性.19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光也是一种电磁波.此后，赫兹在实验中证实了这种假说，这样，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功.

但是，19世纪末又发现了新的现象——光电效应，这种现象用波动说无法解释.爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应.不过，这里所说的光子完全不同于牛顿所说的“微粒”.

　

双缝干涉

干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象.1801年，英国物理学家托马斯·杨（ 1773—1829）在实验室里成功地观察到了光的干涉.

如图，让一束单色光（例如红光）投射到一个有狭缝S的挡板上，由狭缝S射出的光再投射到第二个有两条狭缝S1和S2的挡板上，狭缝S1和S2相距很近，且与狭缝S的距离相等.如果光是一种波，那么，从狭缝S发出的光波会同时传到狭缝S1和S2，它们就成了两个振动情况总是相同的波源，它们发出的光在挡板后面的空间互相叠加，会发生干涉现象.

光在一些地方互相加强，在另一些地方互相削弱.如果在挡板后面放一个屏，就能在屏上看到亮暗相间的条纹.实验果然得到了预期的结果，这就证明光的确是一种波.

如图所示，现在我们在屏上取一点P，P点到S1和S2的距离相同.S1和S2相当于两个振动情况总是相同的波源，由S1和S2发出的两列波到达P点的路程又相同，所以这两列波的波峰（或波谷）将同时到达P点.这时两列波总是波峰跟波峰叠加，波谷跟波谷叠加，P点的光波得到加强，这里就出现一个亮条纹.

在P点上方另取一点，例如P1点，它距S2比距S1远一些，两列波到达P1点的路程不相同，两列波的波峰（或波谷）就不一定再同时到达P1点.如果路程差d正好是半个波长，那么当一列波的波峰到达P1点时，另一列波正好在这里出现波谷.这时两列波叠加的结果是互相削弱，于是在这里出现睛条纹.

对于更远一些的点，例如点P2，来自两个狭缝的光波的路程差d更大.如果路程差正好等于波长λ，那么，两列波的波峰（或波谷）将同时到达这点，光波得到加强，这里也出现亮条纹.

距离屏幕的中心越远，路程差越大.每当路程差等于λ、2λ、3λ……（半波长的偶数倍）时，两列光波就得到加强，屏幕上出现亮条

波就相互削弱，屏上出现暗条纹.

在双缝干涉实验中，狭缝S1和S2相当于两个振动情况总是相同的波源，称为相干波源.由相干波源发出的光互相叠加，才能产生干涉现象，在屏上出现稳定的亮暗相间的条纹.
在两缝间的距离以及挡板和屏的距离一定的情况下用不同颜色的单色光做双缝干涉实验，干涉条纹间的距离不同.从彩图可以看出，用红光做实验时的间距比用蓝光时大，这表明红光的波长比蓝光的波长长.各种光的不同颜色，实际上反映了它们不同的波长（或频率）.如果用白光做双缝干涉实验，由于白光内各种单色光的干涉条纹间距不同，在屏上会出现彩色条纹.
我们知道，波速等于波长和频率的乘积.这个关系对一切波都是适用的.不同的色光在真空中的传播速度相同，所以波长不同的色光，它们的频率也不同：波长越长，频率越小；波长越短，频率越大.各色光在真空中的波长和频率的范围见下表.

　

薄膜干涉

酒精灯里的酒精中溶解一些氯化钠，灯焰就能发出明亮的黄光.把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜，用酒精灯的黄光照射液膜，液膜反射的光使我们看到灯焰的像.像上有亮暗相间的条纹，这是光的干涉产生的.

灯焰的像是液膜前后两个面反射的光形成的，这两列光波的频率相同，能够发生干涉.竖直放置的肥皂薄膜受到重力的作用，下面厚，上面薄，因此，在薄膜上不同的地方，来自前后两个面的反射光所走的路程差不同.在一些地方，这两列波叠加后互相加强，于是出现了亮条；在另一些地方，叠加后互相削弱，于是出现了暗条.

用不同波长的单色光做这个实验，条纹的间距是不一样的.所以如果用白光照射肥皂液膜，由于各色光干涉后的条纹间距不同，液膜上就会出现彩色条纹.肥皂泡上和水面的油膜上常常看到的彩色花纹，就是光的干涉造成的.

光的干涉现象在技术中有重要应用.例如，在磨制各种镜面或其他精密的光学平面时，可以用干涉法检查平面的平整程度.在被测平面上放一个透明的样板，在样板的一端垫一个薄片，使样板的标准平面和被测平面之间形成一个楔形空气薄层.用单色光从上面照射，空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉.

空气层厚度相同的地方，两列波的路程差相同，两列波叠加时相互加强或削弱的情况也相同.所以，如果被测表面是平的，干涉条纹就是一组平行的直线（图甲）；如果干涉条纹发生弯曲，就表明被测表面不平（图乙）.这种测量的精度可达10-6cm.

　

　

　

我们知道，波能够绕过障碍物产生衍射，并且只在一定条件下，才能明显地观察到波的衍射现象.既然光也是一种波，为什么在日常生活中没有观察到光的衍射现象呢？从前面讲的光的干涉可以知道，光的波长很短，只有十分之几微米，通常的物体都比它大得多，因此很难看到光的衍射现象.但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射.
在不透光的挡板上安装一个宽度可以调节的狭缝，缝后放一个光屏.用平行单色光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线方向通过狭缝，在屏上产生一条跟缝宽相当的亮线.但是，当缝调到很窄时，尽管亮线的亮度有所降低，但是宽度反而增大了.这表明，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方.这就是光的衍射现象.下图是在一次实验中拍摄下来的单缝衍射的照片.

用点光源照射具有较大圆孔的挡板AB，在后面的屏上就得到一个圆形亮斑，它的直径可以按照光的直线传播的规律作图得到（图甲、乙）.但是，如果圆孔缩小到一定程度，可以在屏上看到，光所达到的范围会远远超过它沿直线传播所应照明的区域（图丙）.这就是圆孔的衍射现象.
在单缝衍射和圆孔衍射的照片中，都有一些亮线和暗线.这是由于来自单缝或圆孔上不同位置的光，在光屏处叠加后光波加强或者削弱的结果，这个道理和两列光干涉时的道理相似.如果用白光做衍射实验，得到的亮线是彩色的，这也是由于不同波长的光在不同位置得到了加强.

各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现亮睛相间的条纹.图示是刮胡须刀片的影，可以在它的边缘看到由于衍射产生的条纹.

1818年，法国的科学院为鼓励对衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文.一位年轻的物理学家菲涅耳按照波动说深入研究了光的衍射，在论文中提出了严密地解决衍射问题的数学方法.当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长，在适当的距离上，影的中心会出现一个亮斑！泊松认为这是非常荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说.但是就在竞赛的关键时刻，菲涅耳在实验中观察到了这个亮斑，这样，泊松的计算反而支持了光的波动说.后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑.
对衍射现象的研究表明，我们前面说的“光沿直线传播”只是一种特殊情况.光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可以认为光是沿直线传播的.但是，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显，这时就不能说光沿直线传播了.

　

　

　

光的电磁说

光的干涉和衍射现象无可怀疑地证明了光是一种波，到19世纪中叶，光的波动说已经得到公认.但是，光是什么性质的波？难道像水波一样？像声波一样？光波的本质是什么，这个问题一直没有解决.那时候人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看成是在某种弹性介质里传播的振动.

到了19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且从理论上得出，电磁波在真空中的传播速度应为3.11×l08m/s，而当时实验测得的光速为3.15×108m/s，两个数值非常接近.麦克斯韦认为这不是一种巧合，它表明光与电磁现象之间有本质的联系.由此他提出光在本质上是一种电磁波.这就是光的电磁说.1886～1888年间，赫兹做了一系列实验，证实了电磁波的存在，并且测出了实验中的电磁波的频率和波长，从而计算出了电磁波的传播速度，发现电磁波的速度确实与光速相同.这样就证明了光的电磁说的正确性.

　

红外线

在电磁波中，能够作用于人的眼睛并引起视觉的，只是一个很窄的波段，通常叫做可见光.由上节的表中可以看出，其中波长最短的是紫光，波长约为370nm，波长最长的是红光，波长约为750nm.波长更长的光不能引起视觉，叫做红外线.红外线的波长范围很宽，约为750nm～106nm.

一切物体，包括大地、人体、农作物和车船，都在辐射红外线.物体的温度越高，它辐射的红外线越强，波长越短.在热学中所说的热辐射，指的就是红外线辐射，它是热传递的方式之一.
利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对收到的信号进行处理，就可以探知被探物体的特征.这种技术叫做红外线遥感.利用红外线遥感技术可以在飞机或卫星上勘测地热、寻找水源、估计农作物的长势和收成等.如果用红外摄影对人体成像，做出体表的“热图”，可以通过皮肤温度的微小差别判断人体的健康状况.

红外线还用于遥控，例如遥控式电视机、录像机等.按下遥控器上的按钮，遥控器就发出红外线脉冲信号，受控机器收到信号后就进行相应的操作，变换频道、改变音量等.
红外线的频率比可见光更接近固体物质分子的固有频率，因此更容易引起分子的共振.所以，红外线的电磁场的能量更容易转变成物质的内能.利用红外线的这种热作用，可以加热物体、烘干油漆和谷物、进行医疗等.市场上烤制鸡鸭等肉类食品的“远红外烤箱”，它的灯管工作时发出的光从可见的红光到波长很长的红外线，加热作用主要是靠其中的长波红外线来实现的，并由此得名.

　

紫外线

紫外线也是不可见光，它的波长比紫光还短，大约为5nm～370nm.紫外线有荧光作用，有些物质受到紫外线照射时能够发出可见光.日光灯管的管壁上涂的就是一种荧光物质.大额钞票上也有用荧光物质印刷的文字，在可见光下肉眼看不见，用紫外线照射则会发出可见光，这是一种防伪措施.

紫外线能促使人体合成维生素D，这种维生素有助于人体对钙的吸收，所以儿童常晒太阳能够防止缺钙引起的佝偻病.但是过多的紫外线会使皮肤粗糙，甚至诱发皮肤癌，这点也要引起注意.
紫外线能杀死多种细菌，所以医院和食品店常用紫外线消毒.

　

伦琴射线

波长比紫外线更短的光叫做伦琴射线，也叫X射线.是德国物理学家伦琴（1845—1923）在1895年发现的.它的穿透能力很强，能使包在黑纸里的照相底片感光.由于X射线穿透物质的厚度跟物质的密度有关，在工业上可以用来检查金属部件内部有没有砂眼、裂纹等缺陷，在医学上可以用来透视人体，检查体内的病变及骨骼情况.图22-14是伦琴在发现X射线时于1895年12月22日在实验室为他夫人的手拍下的照片，这是世界上第一张X射线的人手照片.

此外还有比伦琴射线波长更短的电磁波，那就是γ射线，我们将在下一章学习.

　

电磁波谱

无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线等合起来，构成了范围非常广阔的电磁波谱，其中最长的波长是最短的波长的1021倍以上.从图中我们可以看出，长波的红外线和微波已经重叠，短波的紫外线已经进入伦琴射线的区域.所以它们之间的区别并没有绝对意义.从无线电波到γ射线，都是本质上相同的电磁波，它们的行为服从共同的规律.
不同的电磁波，产生的机理不同.无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的.
不同的电磁波，由于它们的频率或波长不同，因而表现出不同的特性.例如：波长较长的无线电波容易表现出干涉、衍射等现象，而波长越来越短的紫外线、伦琴射线、γ射线等，要观察到它们的干涉、衍射现象就越来越困难了.

　

　

　

光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，但不能由此确定光究竟是横波还是纵波.则光的偏振现象，可以说明光是横波.

　

偏振现象

在纵波中，振动方向总是跟波的传播方向在同一直线上.在横波中，振动方向总是垂直于波的传播方向，但不同的横波，振动方向可以不同.例如一列横波沿水平方向传播，质点在竖直平面内可能沿着上下方向振动，也可能沿着左右方向振动，也可能沿着任何其他方向振动.当然，对于一个确定的横波，它的振动方向是确定的.这是横波与纵波的区别.我们可以利用这种区别来判断某种波是横波，还是纵波.

现在利用偏振片代替上面的带有狭缝的木板，来做光学实验.偏振片由特定的材料制成，它上面有一个特殊的方向（叫做透振方向），只有振动方向与透振方向平行的光波才能通过偏振片.偏振片对光波的作用就像上面实验中的狭缝对于机械波的作用一样.我们来看下面的实验.
让太阳光或灯光通过偏振片P，在P的另一侧进行观察，可以看到偏振片是透明的.以光的传播方向为轴旋转偏振片P，透射光的强度不变(图甲).

偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q，观察通过两块偏振片的透射光.当Q与P的透振方向平行时，透射光的强度最大，但是，比通过一块偏振片时要弱（图 乙）.当Q与P的透振方向垂直时，透射光的强度最弱，几乎为零（图丙）.

怎样解释上面的实验呢？如果光波是纵波，是不会发生上面的现象的.太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.这种光叫做自然光.自然光通过偏振片P（叫做起偏器）之后，只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能通过.也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动.这种光叫做偏振光.横波只沿着某一个特定的方向振动，称为波的偏振.只有横波才有偏振现象.
通过偏振片P的偏振光再通过偏振片Q（称为检偏器）时，如果两个偏振片的透振方向平行，那么，通过P的偏振光的振动方向跟偏振片Q的透振方向平行，透射光的强度最大；如果两个偏振片的透振方向垂直，那么，偏振光的振动方向跟偏振片Q的透振方向垂直，偏振光不能通过Q，透射光的强度为零.这机械波的情形类似.
上面的实验表明，光是一种横波.

其实，知道了光是电磁波，就容易理解光是横波了.电磁波是横波，电磁波中电场强度E和磁感应强度B的振动方向都与电磁波的传播方向垂直.实验指出，光波的感光作用和生理作用等主要是由电场强度E所引起的，因此常将E的振动称为光振动.在与光波传播方向垂直的平面内，光振动的方向可以沿任意的方向.光振动沿各个方向均匀分布的光就是自然光.光振动沿着特定方向的光就是偏振光.
光的偏振现象并不罕见.除了从光源（如太阳、电灯等）直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏振光.自然光射到两种介质的界面上，如果光入射的方向合适，使反射光与折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振的，并且偏振方向互相垂直.

光的偏振现象有很多应用.如在拍摄日落时的水面、池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物等景像时，由于反射光的干扰，常使景像不清楚.如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使图像清晰.汽车在夜间行车时，迎面开来的车灯的光常常使司机看不清路面，容易发生事故。如果在每辆车灯玻璃上和司机座席前的窗玻璃上各安上一块偏振片，并使他们的偏振化方向都跟水平方向成45°角，如图，就可以解决这个问题。这是从对面车灯射来的偏振光，由于振动的方向跟司机自己座前玻璃上的偏振片的偏振化方向垂直，所以不会射进司机眼里。而从自己的车灯射出去的偏振光，由于振动方向跟自己的窗玻璃上的偏振片偏振化方向相同，所以司机仍能看清自己车灯照亮的路面和物体。

看立体电影，要戴上一个特殊的眼镜，观众戴的是一副偏光眼镜，相当于检偏器，偏光眼镜的俩只镜片的偏振化方向也是相互垂直的，左眼镜片的偏振化方向跟左边放映机前的偏振镜的一致，右眼镜片的偏振化方向跟右边放映机前的偏振镜的一致。这样左眼只能看见左机映出的画面，右眼只能看见右机映出的画面，两眼看到的画面略有差别，因而产生立体感。

　

　

1958年，人类在实验室里激发出了一种自然界中没有的光，这就是激光.40年来，激光已经深入我们生活的各个方面.打长途电话、看VCD、医院里做手术、煤矿里挖掘坑道……都用得着激光.那么，激光到底是什么样的光，它为什么有这么大的用途呢？

光是从物质的原子中发射出来的.原子获得能量以后处于不稳定状态，它会以光子的形式把能量发射出去.但是，普通的光源，例如白炽灯，灯丝中每个原子在什么时刻发光，朝哪个方向发光，都是不确定的，发光的频率也不一样.这样的光在叠加时，一会儿在空间的某点相互加强，一会儿又在这点相互削弱，不能形成稳定的亮区和暗区，所以不能发生干涉.这样的光是非相干光.只有频率相同、并满足一定条件的光才是相干光.激光是一种人工产生的相干光，这是它的第一个特点.

由于激光是相干光，所以它能像无线电波那样进行调制，用来传递信息.光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物.

激光的另一个特点是它的平行度非常好.由于平行接好，所以在传播很远的距离后仍能保持一定的强度.激光的这个特点使它可以用来进行精确的测距.对准目标发出一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲和收到回波的时间间隔，就可以求出目标的距离.激光测距雷达就是根据这个原理制成的.多用途的激光雷达不仅可以测量距离，而且能根据多普勒效应测出目标的运动速度，从而对目标进行跟踪.

由于平行度好，激光可以会聚到很小的一点上.让这一点照射到VCD机、CD唱机或计算机的光盘上，就可以读出光盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像.由于会聚点很小，光盘记录信息的密度很高.

激光还有一个特点是亮度高，也就是说它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体的被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化了.因此，可以利用激光束来切割各种物质，焊接金属以及在硬质材料上打孔.医学上可以用激光作“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤，还可以用激光“焊接”剥落的视网膜.

原子核聚变时释放的核能是一种很有希望的能源.怎样使原子核在人工控制下进行聚变反应，这是各国科学家研究的重要课题.一个可能的实现途径是，把核燃料制成小颗粒，用激光从四面八方对它进行照射，利用强激光产生的高压引起核聚变.

激光的应用远不止这些，而且还在不断发展.