第二十課
光子的一生——發(fā)射，傳輸與吸收
主講人
到這里來(lái)帶給你最有趣的嚴(yán)肅物理,我是中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員許秀來(lái)。
光的發(fā)射 傳輸和吸收
01
我們今天這節(jié)課的題目是光子的一生，主要講述光的發(fā)射、傳輸和吸收。簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們能看到光從太陽(yáng)發(fā)射，傳到地球進(jìn)入人體眼睛，被吸收到眼睛里轉(zhuǎn)視覺(jué)，這樣一個(gè)過(guò)程。而我們所有跟光有關(guān)的話題都跟物質(zhì)有關(guān)。比如說(shuō)我們看到的太陽(yáng)、云彩、山川，都是因?yàn)槲覀兛吹降倪@些物體本身表面的反射光，而我們看到的閃電是由于在云層中正負(fù)離子之間放電產(chǎn)生的結(jié)果。另外我們看到的激光，比如在真空中，我們是看不到激光的路徑的，只有打在杯子上或者是其它的表面，我們才能看到激光。所以所有跟光有關(guān)的話題都跟物質(zhì)有關(guān)系，也就是說(shuō)，永遠(yuǎn)離不開(kāi)光與物質(zhì)的相互作用，所以我們要強(qiáng)調(diào)在所有的物質(zhì)體系中，研究光的現(xiàn)象以及跟光的相互作用。
電磁波譜
02
在聊這些問(wèn)題之前呢，首先要考慮一個(gè)問(wèn)題就是光譜，所謂的光譜，也就是電磁波譜。我們認(rèn)為光是一種電磁波，在目前的世界范圍之內(nèi)，有不同電磁波的頻率和波長(zhǎng)，比如說(shuō)X射線、γ射線或者是可見(jiàn)光、甚至近紅外光、微波以及無(wú)線電波等等，根據(jù)不同的波長(zhǎng)我們把它分開(kāi)。而每個(gè)不同的波長(zhǎng)都有特殊的應(yīng)用，比如X射線，可以用它來(lái)做胸透檢查，還可以用微波來(lái)做加熱物體的微波爐以及偵查用的雷達(dá)，還可以用作無(wú)線電波的傳輸。而人的眼睛對(duì)光只對(duì)可見(jiàn)光這部分敏感，比如說(shuō)從400納米到700納米這樣一個(gè)過(guò)程，今天的這節(jié)課主要聚集在可見(jiàn)光這個(gè)區(qū)域。
電磁波譜
光的發(fā)射
03
首先講光的發(fā)射。光的發(fā)射對(duì)人來(lái)說(shuō)，最直接的光發(fā)射就是太陽(yáng)，我們能觀察到自然界中的光發(fā)射就是太陽(yáng)。同時(shí)在南極和北極，由于正負(fù)電的電荷在地磁場(chǎng)的作用下有可能在南極和北極形成極光，這也是在自然界中可以觀察的發(fā)光的現(xiàn)象。而離大家比較近的就是動(dòng)物界的螢火蟲(chóng)，它可以主動(dòng)發(fā)光，這是由生物發(fā)光引起的。還可以觀察到的一些發(fā)光現(xiàn)象是一些放射性的礦石，它主要是由于放射性的元素導(dǎo)致的發(fā)光現(xiàn)象。而人們更希望的是能夠主動(dòng)發(fā)光和照明，那么最早期采取的辦法就是鉆木取火，這個(gè)時(shí)候你會(huì)看到，我們使用木材來(lái)發(fā)光，后來(lái)才逐漸地利用小的發(fā)光點(diǎn)，比如說(shuō)火柴或者是煤油，以前還叫洋火或者洋油。而實(shí)現(xiàn)發(fā)光最簡(jiǎn)單的原理是什么呢？
光的發(fā)射
我們希望從這樣簡(jiǎn)單二能級(jí)體系里面，從基態(tài)比如說(shuō)E1 激發(fā)態(tài)是E2，如果原子在激發(fā)態(tài)的時(shí)候，它躍遷到基態(tài)，能量從高往下掉的過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光子，那么這時(shí)候就稱它為發(fā)光。要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)激發(fā)態(tài)，最簡(jiǎn)單的事情是，通常的原子在普通狀態(tài)時(shí)都處于基態(tài)，而要從基態(tài)到激發(fā)態(tài)這一過(guò)程需要激發(fā)。而在過(guò)去這么多年里面，人們都采取各種各樣的方法激發(fā)原子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)實(shí)現(xiàn)發(fā)光，比如說(shuō)太陽(yáng)就是通過(guò)核聚變產(chǎn)生的熱，形成的黑體輻射，實(shí)現(xiàn)的發(fā)光。還有一些礦石可以通過(guò)熱發(fā)光，比如它本來(lái)不發(fā)光，在一定的溫度下可以看到它發(fā)光的現(xiàn)象。還有螢火蟲(chóng)等生物發(fā)光等等。還有一些聲致發(fā)光或者是陰極射線打在物體上導(dǎo)致的發(fā)光,我們就不具體說(shuō)了。有一個(gè)現(xiàn)象是光致發(fā)光，也就是說(shuō)我先用一束光激發(fā)在物體上，然后再把它激發(fā)到激發(fā)態(tài)的時(shí)候，它可以從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)形成一個(gè)光子，我們稱之為光致發(fā)光，這個(gè)跟我們后面的光吸收還有關(guān)系，我后面還會(huì)繼續(xù)說(shuō)。
光致發(fā)光
同時(shí)我們觀察到的夜明珠實(shí)際上也是一種光致發(fā)光，白天激發(fā)，它可以保留到夜里繼續(xù)發(fā)光。而人們最希望得到的是什么？是電致發(fā)光，什么叫電致發(fā)光？就是希望能打開(kāi)開(kāi)關(guān)就能看到亮，這就是電致發(fā)光。在過(guò)去的一百多年里面，最先實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光的是白熾燈，也就是說(shuō)通過(guò)加電能夠使用鎢絲變熱，通過(guò)鎢絲的熱導(dǎo)致黑體輻射形成這樣的光。后來(lái)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛萌展鉄?，所謂的日光燈就是使用電激發(fā)汞蒸氣形成紫外線，同時(shí)激發(fā)日光燈管壁上的發(fā)光粉從而發(fā)出白光，這些都是我們說(shuō)的電燈。
電致發(fā)光
隨著半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，就是用兩種不同類型的半導(dǎo)體，比如P型半導(dǎo)體或者N型半導(dǎo)體，兩個(gè)接到一起，通過(guò)電就可以產(chǎn)生發(fā)光，我們通常稱這種器件為發(fā)光二極管，然后把它封裝到這樣一個(gè)小的塑料殼里面，就可以形成發(fā)光二極管。大家可以看到不同色彩的發(fā)光二極管，其實(shí)發(fā)光二極管的發(fā)現(xiàn)并不是那么容易。最早實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的時(shí)候，看到的是紅色二極管，大約是1962年，但是當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)黃色二極管的時(shí)候，已經(jīng)是10年以后了，1972年。后來(lái)因?yàn)樗{(lán)色發(fā)光二極管的發(fā)現(xiàn)，才讓人們覺(jué)得發(fā)光二極管更加地可實(shí)用化。而藍(lán)色的發(fā)光二極管的發(fā)現(xiàn)卻讓科學(xué)家們花了21年的時(shí)間。同時(shí)日本的物理學(xué)家中村修二，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)藍(lán)色的發(fā)光二極管和激光二極管，在2014年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。因?yàn)橛辛巳N顏色的發(fā)現(xiàn)，就能拼成全色，所以二極管在顯示有很大的應(yīng)用，我們看到不同顏色的顯示，有了這三種顏色 我們就能真正達(dá)到全色顯示。
發(fā)光二極管
由于二極管的發(fā)現(xiàn)，我們還將它取代了以前的白熾燈，比如說(shuō)以前白熾燈的功率，我們可以把它降低五分之一，同時(shí)延長(zhǎng)燈的使用壽命，雖然現(xiàn)在市面上的二極管的燈泡比普通的白熾燈的要貴，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度，用二極管的燈使得日常照明降低了成本，延長(zhǎng)了使用壽命，所以現(xiàn)在看到很多路燈 ，包括汽車的尾燈頭燈都是二極管燈。同時(shí)，由于二極管的發(fā)現(xiàn)，還實(shí)現(xiàn)了不同的激光，我們可以看到現(xiàn)在非常炫酷的激光秀，下邊這幅圖是劍橋大學(xué)八百年校慶時(shí)候的激光秀。
劍橋大學(xué)校慶激光秀
剛才提到，激光在傳播的過(guò)程中我們看不見(jiàn)，其實(shí)在空氣中，只要激光功率夠大還是能看見(jiàn)的。這里面說(shuō)明一個(gè)事情是有很多事情在我們不知道的時(shí)候并不代表沒(méi)有。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們希望能夠得到更簡(jiǎn)單、更便宜而且可折疊的發(fā)光顯示器件，比如最近可折疊的筆記本電腦或者是可折疊的手機(jī)，這也都為我們的發(fā)光顯示提供了新的技術(shù)。
光的傳輸
04
下面繼續(xù)介紹的是：光的傳輸。有了發(fā)光以后 我們考慮的是光的傳輸，光的傳輸主要包括這幾個(gè)方面：第一 我們?cè)趥鬏數(shù)倪^(guò)程中可能會(huì)被散射，另外也有可能被吸收，而在不同的介質(zhì)表面，會(huì)形成折射或者是反射，這是光的傳輸?shù)膸讉€(gè)部分。
光的傳輸
光的散射
05
首先考慮的是散射。對(duì)于光的散射，首先的概念是小時(shí)候當(dāng)你一大早起床的時(shí)候，打開(kāi)窗戶看到的顆粒在陽(yáng)光底下的路徑，同時(shí)能觀察到顆粒在陽(yáng)光底下的運(yùn)動(dòng)，這就是由光的散射引起的。比如說(shuō)很多時(shí)候我們看到的照片，比如梵蒂岡大教堂頂上的窗戶，下面泄露出來(lái)的光就是由光的散射引起的。
梵蒂岡大教堂
當(dāng)一束光打到一個(gè)粒子上的時(shí)候，會(huì)有向不同方向發(fā)生散射，同時(shí)散射還跟光的波長(zhǎng)或者跟光的能量有關(guān)。剛才我提到不同的波長(zhǎng)，比如紅光能量比較低，藍(lán)光能量比較高。而我們又將散射分成不同的類型，比如說(shuō)一個(gè)光的波長(zhǎng)跟散射粒子尺寸它們之間比較的時(shí)候，如果散射粒子尺寸遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)，這時(shí)候稱這種散射為瑞利散射，那瑞利散射的過(guò)程中，對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的散射效果，比如說(shuō)藍(lán)色的光更容易受到散射。如果你的粒子尺寸跟波長(zhǎng)差不多或者相比擬的時(shí)候，我們稱這種散射為米散射，米散射通常都是一些大的顆?；蛘呤撬魵狻＿€有一種顆粒更大的時(shí)候，也是一種米散射，但這時(shí)候?qū)饩蜎](méi)有選擇性了，所以我們稱之為無(wú)選擇性的散射。
這幾種散射解釋了一些我們平時(shí)環(huán)境中觀察到的現(xiàn)象，比如說(shuō)瑞利散射對(duì)短波長(zhǎng)的光更容易散射，所以我們?cè)谄匠Ｇ缋实奶炜湛偸撬{(lán)色的原因，就是因?yàn)樘?yáng)光里的藍(lán)光都被大氣里的分子散射到空間中形成藍(lán)色導(dǎo)致的。而白云就是因?yàn)闊o(wú)選擇性散射，因?yàn)樗纳⑸漕w粒尺寸比較大。我們可以解釋一個(gè)現(xiàn)象，太陽(yáng)落山的時(shí)候，太陽(yáng)的顏色總是由白變黃再變紅，這個(gè)過(guò)程也是由于瑞利散射的原因引起的，原因是隨著太陽(yáng)逐漸落山，我們看到的太陽(yáng)會(huì)離我們?cè)絹?lái)越遠(yuǎn)，同時(shí)太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣層的距離就會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，這時(shí)候大部分的藍(lán)光被空氣散射掉以后，那剩下的就是紅光能夠傳入到我們眼睛里，所以我們能看到太陽(yáng)會(huì)從黃色逐漸變?yōu)榧t色最后消失這樣一個(gè)過(guò)程。
散射類型
光的反射
06
下面我們討論的是光的反射。光的反射其實(shí)非常簡(jiǎn)單，通過(guò)一束光打在一個(gè)鏡面上的時(shí)候我們會(huì)看到它的反射光。通常我們考慮到的反射定律是反射光的反射角等于入射角。這個(gè)結(jié)果可以通過(guò)特別簡(jiǎn)單的惠更斯原理來(lái)解釋：球形波面上的每一點(diǎn)都可以是一個(gè)次級(jí)的球面的子波源，而且子波源的波速與頻率都等于原來(lái)的波速和頻率，而子波源波面的包絡(luò)是形成后面發(fā)射的波面。所以如果我們用這個(gè)原理證明反射定律的話，我們會(huì)看到，在這樣一個(gè)結(jié)果里面，如果B到C的距離和A到D的距離是相等的，通過(guò)這兩個(gè)直角三角形很輕松地可以得出它的入射角的大小是等于反射角的。
梵蒂岡大教堂
而反射也可以分成兩種。一種是鏡面反射，比如說(shuō)我們通常說(shuō)的一個(gè)非常平的鏡子，早期的鏡面反射就是銅鏡。而另外一種是漫反射，如果你的表面不太平整的時(shí)候，會(huì)形成漫反射的結(jié)果。鏡面反射可能很容易，我們看這幅圖，它主要是如果湖面沒(méi)有波動(dòng)的時(shí)候就是非常好的鏡面反射。
湖面反射
這后面是劍橋大學(xué)的嘆息橋，下雨的過(guò)程中，它這個(gè)就是漫反射的過(guò)程。而其實(shí)鏡面反射在我們的生活當(dāng)中無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在，比如說(shuō)汽車的觀后鏡，牙醫(yī)拿在手里的看牙的反射鏡，還有潛望鏡，都是通過(guò)鏡面反射來(lái)達(dá)到目的。
嘆息橋
光的折射
07
在傳輸?shù)倪^(guò)程中還有光的折射的問(wèn)題，光的折射主要考慮不同的介質(zhì)界面之間發(fā)生的事情。比如說(shuō)兩個(gè)介質(zhì)中n1和n2，可以是不同的折射率，所謂的折射率反映了光速在這種媒介當(dāng)中的速度，通常折射率是拿光速除以這個(gè)速度就得到折射率，所以通常折射率是比真空中的折射率要大的。比如入射光從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)的時(shí)候，比如說(shuō)我們?cè)诼飞祥_(kāi)車，突然進(jìn)入一段泥濘的路，那么這時(shí)候車速就會(huì)降低，或者說(shuō)平時(shí)我們?cè)诼飞献呗泛驮谒镒呗?，兩個(gè)速度也不太一樣，這時(shí)候可以把它簡(jiǎn)單地認(rèn)為是從光疏到光密的介質(zhì)。這時(shí)候光的折射是一個(gè)簡(jiǎn)單的折射定律，也就是它們兩個(gè)的折射角的sin比是它們折射率的反比，所以我們通常會(huì)定義n1sinθ1 = n2sinθ2。這個(gè)公式也簡(jiǎn)稱為斯涅爾定律，斯涅爾定律的證明其實(shí)也很簡(jiǎn)單，我們還是通過(guò)惠更斯原理來(lái)解釋。
當(dāng)光從B 傳到C的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它的傳輸距離是B 到C的距離，然后在介質(zhì)中大約是A到D，它們的包絡(luò)就是在C D這條線上，它是垂直于它們的傳輸方向的，如果通過(guò)不同的角度，可以發(fā)現(xiàn)sinθi等于sinθr乘以它們的介電常數(shù)，或者說(shuō)sinθi除以sinθr等于它們的介電常數(shù)比。有了這樣一個(gè)過(guò)程，在光的折射里面其實(shí)有很多非常有意思的現(xiàn)象，比如說(shuō)將光打在一個(gè)玻璃上我們可以看到它入射光經(jīng)過(guò)第一級(jí)反射以后，折射光進(jìn)入玻璃的下面，同時(shí)再繼續(xù)反射，還會(huì)形成第二次折射。有一位科學(xué)家把自己放在魚(yú)缸里，也可以看到他的頭和身體都離的比較遠(yuǎn)，或者你在水底下，看到北極熊的腦袋和身體也是離得非常遠(yuǎn)的，這都是由于光的折射現(xiàn)象引起的。
可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單直接的例子，在看見(jiàn)水里的魚(yú)的時(shí)候，看到的實(shí)際的位置是比魚(yú)的真實(shí)位置要高的，其實(shí)就是離水和空氣的介面要近，我們要用魚(yú)叉插魚(yú)的時(shí)候，要瞄準(zhǔn)的是魚(yú)的身子下面而不是魚(yú)，因?yàn)槟遣攀钦鎸?shí)的魚(yú)的位置。也就是說(shuō)，我們通過(guò)眼睛看水中物體的時(shí)候，物體總是抬高的，反過(guò)來(lái)，如果在水中看岸上物體的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，比如岸上物體比實(shí)際物體要高的。開(kāi)玩笑說(shuō)為什么我們都是人去打魚(yú)而魚(yú)沒(méi)有要咬人，就是因?yàn)樗吹轿覀內(nèi)颂叽罅耍矝](méi)有機(jī)會(huì)伸出水面來(lái)看看人究竟有多高。
叉魚(yú)
有了光的折射以后，如果將光打在一個(gè)三角形的棱鏡上，這時(shí)候會(huì)發(fā)生兩件事情。第一，從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)發(fā)生一次折射，第二，再?gòu)墓饷芙橘|(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，又發(fā)生一次折射，那么這個(gè)時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，光打在棱鏡上有一種可以聚焦的感覺(jué)，所以如果將這種形狀的棱鏡進(jìn)行排列，會(huì)形成光的一種聚焦或者是散焦，而這就是通常形成凸透鏡或者凹透鏡的原理。凸透鏡和凹透鏡在生活中有非常廣泛地應(yīng)用。比如說(shuō)老年放大鏡可以看的字更大，近視鏡就是凹透鏡這樣一個(gè)結(jié)果，能把外面的光聚焦到我們的視網(wǎng)膜上。為了能看到更遠(yuǎn)的東西或者更大的放大倍數(shù)，有一些非常龐大的天文望遠(yuǎn)鏡，在澳大利亞或者其它國(guó)家的天文臺(tái)，非常龐大體積的天文望遠(yuǎn)鏡，有了有這樣一個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡，我們看到的月球就不是我們小時(shí)候看到的嫦娥或者玉兔的月球了。
澳大利亞天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡
光的色散
08
在折射現(xiàn)象里面，剛才提到的所有的光都是單色光，但如果要是一個(gè)白色的光或者是復(fù)色光通過(guò)棱鏡的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)不同的顏色的光在棱鏡中的折射率是不一樣的。也就是說(shuō)他們傳播的速度不同，從而導(dǎo)致我們看到的現(xiàn)象，稱為光的色散。可以看到，白色的光可以通過(guò)棱鏡變成彩色的，而這種現(xiàn)象，如果說(shuō)不是棱鏡而是一個(gè)球呢？光進(jìn)入這個(gè)球的時(shí)候，形成了一次色散，然后在球的對(duì)面，反射過(guò)來(lái)的光再經(jīng)過(guò)球的另外一個(gè)出口形成二次色散，通過(guò)這兩次色散的結(jié)果可以把白色的光分成彩色的，這是通常能夠觀察到彩虹的基本物理原因。另外一個(gè)問(wèn)題就是折射的問(wèn)題，剛才說(shuō)魚(yú)在水里面能看到人的問(wèn)題，也就是說(shuō)如果將光從光密介質(zhì)傳輸?shù)焦馐杞橘|(zhì)的時(shí)候，折射角是大于入射角的，我們可以看到隨著入射角的逐漸變大，折射角越來(lái)越大，直到大到90度的時(shí)候，形成一個(gè)所謂的臨界角，在臨界角下就沒(méi)有光透過(guò)這個(gè)界面，如果再繼續(xù)增大，那么這時(shí)光都會(huì)在介質(zhì)2中形成完全的反射。
光的色散
這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的圖，我們通常稱這種現(xiàn)象為全反射。
全反射
這個(gè)過(guò)程中的全反射，應(yīng)用地非常廣泛，比如說(shuō)鉆戒，如果想要它閃閃發(fā)亮，就要考慮能做的一個(gè)各種方面的全反射角，而且可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，比如說(shuō)把激光打在一個(gè)流水的小孔上，會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)水流可以把激光的傳播途徑改變打在手上，如果沒(méi)有這個(gè)水，激光是直線傳播的。而這種所謂的全反射現(xiàn)象，可以把它放到光纖當(dāng)中，你就可以看到通過(guò)不同的光信號(hào)來(lái)傳播信息，從而實(shí)現(xiàn)高效的或遠(yuǎn)距離的傳輸。光纖在我們生活當(dāng)中已經(jīng)逐漸有非常好的應(yīng)用，比如說(shuō)檢測(cè)相機(jī)，一些反恐電影里面，警察都會(huì)用光纖塞進(jìn)有劫持人質(zhì)的房間里面，看看有多少人質(zhì)、有多少劫匪。而另外一個(gè)全反射最大的應(yīng)用，就是光纖傳輸?shù)膽?yīng)用，隨著海底光纜的傳輸，我們能夠非常高速地向全世界各地傳播各種信息，比如說(shuō)在當(dāng)前肺炎這種疫情下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程上課。同時(shí)光纖的發(fā)明者是一位華人科學(xué)家叫高錕先生，他被稱為世界的“光纖之父”。光纖的發(fā)明，使得他在2009年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
光的吸收
09
另外一個(gè)問(wèn)題就是光的吸收，光的吸收就是使光通過(guò)材料的時(shí)候與材料發(fā)生相互作用，電磁輻射的能量被部分或者是全部轉(zhuǎn)為其它能量的物理過(guò)程。當(dāng)把一束光打在這個(gè)介質(zhì)上，會(huì)發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)哪芰砍暂斎氲哪芰?，我們通常稱為透射，如果把總能量除以透射的能量，可以得到一個(gè)所謂的吸收系數(shù)?？梢钥吹皆谶@個(gè)里面，如果吸收系數(shù)越大，光的穿透能力就越弱。可以看到，當(dāng)吸收系數(shù)在5的時(shí)候，光基本傳不過(guò)去，如果吸收系數(shù)是1，光就能比較輕松的傳過(guò)去。
光的吸收
而光的吸收在生活當(dāng)中是非常常見(jiàn)的，比如說(shuō)檸檬黃色的原因是由于白光照在檸檬上，藍(lán)光被檸檬吸收以后，反射到我們眼睛里的是紅光和綠光的混合，從而形成黃光。另外綠葉也是，白光的其它顏色都被綠葉吸收，只能看到綠色的反射光進(jìn)入我們眼睛，這是我們觀察到綠色的原因。
另外一個(gè)問(wèn)題大家可能沒(méi)有注意，在夏天的時(shí)候，你會(huì)看到大家都穿淺色的衣服，其實(shí)物理原因很簡(jiǎn)單，如果你要穿深色衣服，你會(huì)吸收很多顏色的光，會(huì)導(dǎo)致你感覺(jué)很熱，所以大家都會(huì)穿淺色的服裝。其實(shí)光的吸收對(duì)人類影響最大的是光合作用，也就是植物，當(dāng)吸收了光和空氣中的二氧化碳之后，可以形成氧氣并形成糖，這個(gè)過(guò)程是我們所有的生命之源，光合作用本身是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，也不是我們這一節(jié)課主要講述的內(nèi)容。
而另外一種光轉(zhuǎn)為其它能量的方式就是光可以轉(zhuǎn)成熱能或者電能。最常見(jiàn)的就是光轉(zhuǎn)為熱能，在高原地區(qū)燒水的時(shí)候，實(shí)際上就直接用兩個(gè)反射的鏡面來(lái)打在開(kāi)水壺上，就可以把水燒開(kāi)。同時(shí)呢 ，全國(guó)各地或者世界各地的太陽(yáng)能熱水器或者太陽(yáng)能熱水管這種器件，是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)成熱能。
反射鏡面燒開(kāi)水
太陽(yáng)能可以轉(zhuǎn)成電能，我們希望能通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電達(dá)到生活用電的要求，而最簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)就是我剛才說(shuō)的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，非常類似的，P型和N型的半導(dǎo)體結(jié)合一起，加反向偏壓，有光照的時(shí)候，就可以產(chǎn)生電。這種太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)不斷地優(yōu)化和提高，我們已經(jīng)把它提高到了非常高的效率，并且直接應(yīng)用到我們現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中。另外光的吸收還有各種其它的用途，比方說(shuō)用它來(lái)做各種表征或者是成像，現(xiàn)在用的照相機(jī)，手機(jī)的攝像機(jī)，都是因?yàn)閷⒐獯蛟跀z像機(jī)的探測(cè)器上，然后進(jìn)行進(jìn)一步成像，從而達(dá)到非常好的成像效果。
光電探測(cè)器
另外剛才提到，光也是一種電磁波，我們也可以通過(guò)不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行一些成像和檢測(cè)。比如說(shuō)用紅外光成像，夜間的時(shí)候士兵如果帶著紅外眼鏡，就可以在夜里看到遠(yuǎn)處的敵人。另外還有不同波長(zhǎng)的光成像可以有一定的穿透力，比如太赫茲成像，可以看到這幅圖里面，通過(guò)太赫茲成像我們可以看到他藏在衣服里的手槍和在腰里別的刀。
太赫茲成像
我們不僅可以通過(guò)光的吸收或探測(cè)對(duì)物體進(jìn)行成像，還可以對(duì)物體本身進(jìn)行表征或者監(jiān)測(cè)。比如說(shuō)現(xiàn)在在疫情當(dāng)中用的最多的紅外測(cè)溫儀，或者是紅外監(jiān)測(cè)器，所謂的紅外監(jiān)測(cè)器，就是裝在家里通過(guò)它監(jiān)測(cè)有沒(méi)有人，如果有小偷進(jìn)來(lái)，就可以用紅外監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)到有紅外信號(hào)，那么這時(shí)候就可以報(bào)警。而紅外測(cè)溫儀就是通過(guò)測(cè)量人體表面的溫度，但是它們的精度不一樣，比如說(shuō)紅外監(jiān)測(cè)器主要能區(qū)別出來(lái)20度或者25度跟35度的區(qū)別，而紅外測(cè)溫儀的溫度分辨率要到0.2度，如果是差5度的話，那么這個(gè)紅外測(cè)溫儀是沒(méi)有用的。
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，大家有沒(méi)有想過(guò)，我們究竟能看到多弱的光，大家可能沒(méi)有考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)光子的探測(cè)。所謂單個(gè)光子的探測(cè)，就前一位老師講的，光既是電磁波又是粒子，如果考慮它是粒子的話，我手上這個(gè)激光器1秒鐘能發(fā)出的光子數(shù)大約是1015，1015是什么概念呢？就是說(shuō)大約有1千萬(wàn)億個(gè)光子，而現(xiàn)在的探測(cè)器可以測(cè)到1千萬(wàn)億分之1，也就是可以測(cè)到幾個(gè)光子的分辨。所以隨著技術(shù)的發(fā)展人們對(duì)光的了解會(huì)越來(lái)越清楚。
光子探測(cè)器
光子的一生，我今天介紹了從光的發(fā)射到光的傳輸，最后被吸收。它們的時(shí)間有長(zhǎng)有短，比如說(shuō)如果考慮我們屋里的燈光到桌面上被我們的眼睛所看到的時(shí)間，大約是10個(gè)納秒。而如果我們考慮太陽(yáng)的光能傳到地球的時(shí)候，它需要的時(shí)間大約是8.3分鐘。而仙女星座星系的光，如果能傳到我們星球上，大約是250萬(wàn)年，所以光子的壽命有長(zhǎng)有短，但經(jīng)歷和個(gè)性各不相同，正是由于這種不同，才給我們帶來(lái)一個(gè)絢麗的世界。
好，我們今天的課就到這里，今天主要給大家介紹了光的產(chǎn)生、傳輸和吸收，跟我們生活中密切相關(guān)的，比如光是如何來(lái)的，它是如何傳輸，我們看到的一些自然現(xiàn)象怎么用光學(xué)知識(shí)解釋，以及簡(jiǎn)單的物理原因，希望大家通過(guò)今天的學(xué)習(xí)能夠?qū)ψ匀唤缰猩衿娴墓鈱W(xué)現(xiàn)象，有一個(gè)物理的認(rèn)識(shí)和物理的理解，謝謝大家。
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