书城童书走进光学世界(物理知识知道点)
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第4章 光压与光波

光压

叶子在享受光的照射时,也承受光的压力我们知道书本放在桌子上,会对桌子产生压力;密集的雨点打在伞面上,雨水也会对伞面产生压力。然而你知道光照射到物体表面也会对物体的表面产生压力吗?

远在1748年,欧拉就已指出光压的存在。而在1873年,英国物理学家麦克斯韦也预言了光压的存在,并指出光照射到物体上,使物体受到的压力大小决定于光在单位长度上所具有的能量。只是在很多情况下,光的能量太小,我们不易察觉到光压的存在。

事实证明,要观察、证实光压的存在,一定要使用放大微小物理量的办法才行。1901年,美国物理学家赫尔用实验证明了光压的存在。他在一个抽成真空的容器中(注:之所以将容器抽成真空,旨在排除气体分子对实验的干扰),用一根细长的石英丝,把一根轻杆从中间横向吊起,横杆的两端各有一个小圆盘。让一束光照射到小圆盘上,发现原来静止的小圆盘沿着入射光的入射方向转了一个很小的角度,从而证明了光压的存在。通过科学测算,太阳光照射到地球表面,能在每平方米的面积上产生4.8×10-7千克的压力。

既然光压这么小,解释并测量光压有用吗?回答是肯定的。事实证明,光压在解释天体现象中有一定作用,你知道彗星那长长的彗尾是怎么形成的吗?就是当彗星从太阳旁边经过时,它的尘粒与气体分子受到太阳光压的作用形成的。当然,恒星能够保持体形稳定也与光压密切相关。

光波

想要弄清楚光是怎样传播的和光究竟是什么,最好的办法是先从研究水里的波入手,因为水波我们早已熟悉。

光波频率示意图如果你向湖里或水池中扔一块砖头或石子,会激起层层水波,而到达岸边的波的个数的多少,则取决于你所扔的石子的大小。在一段特定的时间内,比如1秒钟里的波的个数叫做波的频率。

与之同理,我们来研究波的长度,波长就是一个波的低谷或顶峰到下一个波的低谷或顶峰的距离。波的低谷叫做波谷,波的顶峰叫做波峰。在通常情况下,波长越短,一定时间内波的个数越多,频率越高;反之,波长越长,一定时间内波的个数越少,频率越低。

那么光波究竟有多长呢?科学家有测量白光光谱中各色光的波长和频率的专门仪器。这种测量是非常精细的工作,因为光的波长非常非常短。作为一个衡量的标准,科学家创造了一个特殊的计量单位,他们把这种计量单位叫做埃,一埃等于一亿分之一厘米,换句话说,1厘米里有100000000个埃。

通过研究光谱,科学家发现红光的波长显著地比紫光的波长要长。红光波长为7600埃或76/100000000(一亿分之七十六)米,紫光波长大约只有红光的一半。光谱中其他颜色光的波长在这两者之间变化,按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺序越来越短。

当一种颜色的光不被吸收时,该光

就会被反射,绿光不易被颜料吸收,

于是,我们看到了这面绿色的墙根据我们从水波中得知的波长与频率的关系,我们就可以毫不迟疑地得出结论:波长长的光的频率比波长短的低,而红光的频率比其他所有颜色的光都要低。

物体可以反射一种以上的颜色吗

我们周围的色彩大多是由颜料或染料制成的。红领巾鲜艳通红,是因为用了一种特殊的、能反射阳光或家里的白炽灯中的红光染料。然而,这些颜料和染料不会产生如同在白光或阳光光谱中的纯粹的自然色。一面黄色的墙壁在白光下会反射一些绿色和黄色的光波。如果反射的光波中黄光占大多数,那么我们看这面墙就是黄色的。如果有许多绿色光波掺在黄光中,那我们看到的就是一面黄绿色的墙壁。

同样,如果你调过水彩或颜料,你会发现,当把同样多的黄色和蓝色调在一起时,就配成了绿色。太阳照到这样绿色的墙上会发生什么现象呢?蓝色颜料吸收黄光,而黄色颜料吸收蓝光,当然它们还都吸收别的颜色的光。但它们都不吸收绿光,所以绿光被反射,你就看到一面绿色的墙。

偏振光波

按照科学家们的说法,光的特性之一就是以波的形式从一个地方传播到另一个地方。光与水波很相似,是从光源开始的一系列的波峰和波谷的扩展。我们可以用一根绳子来做试验。把绳子的一端系在门把手上,另一端握在手里,上下振动手腕就可以产生一系列波。这类上下运动的波,叫做竖直横波。现在,请你仍然拿着绳子,斜着抖动手腕,即向上抖动时往右偏,而向下抖动时往左偏。你就得到了既不同于竖直横波也不同于水平横波的另一种类型的波——斜面横波。

实际上,科学家谈论的波是多种类型的波的混合。有水平横波、竖直横波和许多斜面横波在传播。结果,它成为在各个方向平面内的波的合成。如果我们单独挑出这些波里的任何一种,或者只挑出在给定平面内振动的一种波,我们就得到偏振光波。怎样使一列波成为偏振波呢?

偏振片示意图让我们再玩一会儿绳子,演示另一种效果,它会使你更容易理解光波的偏振。

把绳子系在门把手上,但现要使绳子通过一个竖直的夹缝,比如用两个椅背夹起来或者拿一个纸箱切出一条缝来。如果你上下抖动手腕,产生的波可以通过椅背间的夹缝到达门把手。但是,如果你左右抖动你的腕子,又会出现什么情况呢?你将得到一个水平横波。但是波会在椅背的夹缝处停住。你刚好“偏振”掉了横波;使它只有竖直的波可以畅通无阻的在椅背前停住了。

与此相同,用特殊的材料或棱镜也可以对光波进行处理。这些材料里包含了数以百万计的针状的小晶体,只允许与它们在同样方向上振动的偏振光通过。这种物质叫做偏振片或偏振镜。

光谱

光谱,是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分,在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色,譬如褐色和粉红色。