光波的二象性

物理学名词

光波的二象性，物理学名词，光是一个物理学名词，其本质是一种处于特定频段的光子流。光源发出光，是因为光源中电子获得额外能量。如果能量不足以使其跃迁到更外层的轨道，电子就会进行加速运动，并以波的形式释放能量。如果跃迁之后刚好填补了所在轨道的空位，从激发态到达稳定态，电子就不动了。否则电子会再次跃迁回之前的轨道，并且以波的形式释放能量。

研究背景

光的研究历史和力学一样，在古希腊时代就受到注意，光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名，但在自然科学与宗教分离开之前，人类对于光的本质的理解几乎再没有进步，只是停留在对光的传播、运用等形式上的理解层面。（另，历史告诉我们，古中国早在战国初期，墨学创始人墨子便发现了光的反射定律，建立了中国的光学体系。）十七世纪，对这个问题已经开始存在“波动学说”和“粒子学说”两种声音。

1925年，法国物理学家德布罗意又提出所有物质都具有波粒二象性的理论，即认为所有的物体都既是波又是粒子，随后德国著名物理学家普朗克等数位科学家建立了量子物理学说，将人类对物质属性的理解完全展拓了。综上所述，光的本质应该认为是“光子”，它具有波粒二相性。但这里的波的含义并不是如声波、水波那样的机械波，而是一种统计意义上的波，也就是说大量光子的行为所体现的波的性质。同时光具有动态质量，根据爱因斯坦质能方程可算出其质量。

光的特征

光同时具备以下四个重要特征：

1、在几何光学中，光以直线传播。笔直的“光柱”和太阳“光线”都说明了这一点。

2、在波动光学中，光以波的形式传播。光就像水面上的水波一样，不同波长的光呈现不同的颜色。

3、光速极快。在真空中为3.0×108m/s，在空气中的速度要慢些。在折射率更大的介质中，譬如在水中或玻璃中，传播速度还要慢些。

4、在量子光学中，光的能量是量子化的，构成光的量子（基本微粒），我们称其为“光量子”，简称光子，因此能引起胶片感光乳剂等物质的化学变化。

光的传播规律

光在同种介质中沿直线传播。小孔成像、日食和月食还有影子的形成都证明了这一事实。

撇开光的波动本性，以光的直线传播为基础，研究光在介质中的传播及物体成像规律的学科，称为几何光学。在几何光学中，以一条有箭头的几何线代表光的传播方向，叫做光线。几何光学把物体看作无数物点的组合（在近似情况下，也可用物点表示物体），由物点发出的光束，看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传递方向。几何光学中光的传播规律有三：

（1）光的直线传播规律已如上述。大地测量也是以此为依据的。

（2）光的独立传播规律。两束光在传播过程中相遇时互不干扰，仍按各自途径继续传播，当两束光会聚同一点时，在该点上的光能量是简单相加的。

（3）光的反射和折射定律。光传播途中遇到两种不同介质的分界面时，一部分反射，一部分折射。反射光线遵循反射定律，折射光线遵循折射定律。

光的应用

光在能源（清洁能源）、电子（电脑、电视、投影仪等）、通信（光纤）、医疗保健（γ光刀、光波房、光波发汗房、X光机）等方面有广泛的应用。

相关概念

光源

正在发光的物体叫光源，“正在”这个条件必须具备，光源可以是天然的或人造的。物理学上指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线、X射线等不可见光）的物体。光源主要可以分为三类。

第一类是热效应产生的光。太阳光就是很好的例子，因为周围环境比太阳温度低，为了达到热平衡，太阳会一直以电磁波的形式释放能量，直到周围的温度和它一样。

第二类是原子跃迁发光。荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光。此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的特征谱线。科学家经常利用这个原理鉴别元素种类。

第三类是物质内部带电粒子加速运动时所产生的光。譬如，同步加速器工作时发出的同步辐射光，同时携带有强大的能量。另外，原子炉（核反应堆）发出的淡蓝色微光（切伦科夫辐射）也属于这种。

光子

根据量子场论（或者量子电动力学），光子是电磁场量子化之后的直接结果。光的粒子性揭示了电磁场作为一种物质，是与分子、原子等实物粒子一样，有其内在的基本结构（组成粒子）的。而在经典的电动力学理论中，是没有“光子”这个概念的。量子物理学中，光子是电磁场的微观组成单元，电磁场是大量光子的累积效应。就如同地球水份分布是大量水分子的累积效应。

光速

光（电磁波）在真空中的传播速度。公认值为c=2.99792458×108m/s（或2.99792458×105km/s）（精确值），是最重要的物理常数之一。狭义相对论的基本原理之一是光速不变原理。这与光速定义为一固定值是相一致的。不过迄今还有人仍在检验在更高的精确度下，光速究竟是否恒定。

除真空外，光能通过的物质叫做（光）介质。从宏观上来说，光在介质中传播的速度小于在真空中传播的速度。

超光速

超光速会成为一个讨论题目，源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制，光速成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。而在相对论中，运动速度和物体的其它性质密切相关，速度低于（真空中）光速的物体如果要加速达到光速，其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量，而且它所感受到的时间流逝甚至会停止，所以理论上来说达到或超过光速是不可能的（至于光子，那是因为它们永远处于光速，而不是从低于光速增加到光速）。但也因此使得物理学家（以及普通大众）对于一些“看似”超光速的物理现象特别感兴趣。

物体要到光速需要无限能量，而在平行空间下无法超光速。现已有科学家提出设想：将物体前方的空间压缩，将物体后方的空间扩大来超过光速。只是需要巨大的能量，现有科技也无法做到。

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