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光的产生与传递方式决定了光的本质就是电场与磁场

2020/11/09   维加斯新闻报
彭晓韬

    光的产生主要有三种方式：温度型热辐射（自发型黑体辐射）、电场与磁场强制型辐射 （入射光使介质产生反射、散射、折射、透射、衍射和绕射甚至转换光）、粒子驱动型辐射（契伦科夫型 辐射）。归根究底，光只是带电体（主要是原子）在自身热运动或外力作用下产生的电磁辐射，其本质仍 为带电体在某种运动状态（相对观察者）下产生的电场与磁场。光的传递方式主要有二种：一是真空中的 电场和磁场直接与光源的运动状态相关，只是因为电场与磁场的传递速度有限而存在一定的时间滞后性； 二是介质内部的原子、分子和分子团（简称“极化子”）在入射光或相邻极化子产生的电场和磁场作用下 成为电偶极子，其产生的次生光的相位将滞后于入射光或相邻极化子产生的次生光为半个周期（这是因为 外来电场加速电子到电子位移量达到极大值所需时间正好为半个周期，这也是反射光存在半波损失的原因 所在），由此导致介质内部的光速直接由光在介质内部的转换（从入射或极化子次生光极化邻近其他极化 子，再由邻近极化子产生次生光的过程为一次转换）次数和光在真空中相对产生它的光源的速度两者决定。 一、光的产生方式简述 1、温度型热辐射 任何温度不为绝对零度的物体都会因为其内部的分子、原子热运动产生电磁辐射，其辐射 规律就是著名的普朗克黑体辐射公式所描述的规律。此类辐射的最大特点是：不同频率对应 的辐射强度与频率间存在较严格的相关性，其强度峰值对应的频率与其温度也存在明确的关 联性。但与物体的成分或结构等没有关系。也就是温度相同的任何物体的温度型热辐射强度 与频率间的分布规律是完全相同的。这也证明了温度不是分子热运动平均动能而是热运动产 生的电磁辐射强度峰值所对应的频率的标志。 如下面的动图所示：微观上，碳纳米管内部的原子以及原子中的电子和原子核所构成的分 子和分子团的热运动也是存在一定的规律性的，同区域与部位的原子、分子和分子团的运动 存在一定的同步性，这就是为什么普朗克黑体辐射公式表述的辐射强度与频率存在密切的相 关性的根源。很显然，碳纳米管内部并不存在所谓的能量子。要说存在能量子也就是原子、 分子和分子团组成的。
    12、电场与磁场强制型辐射 2.1、外电场强度小于单个周期摧毁原子所需强度时 电场与磁场可以使介质（由原子组成的分子和分子团等构成的物质）中的原子中的电子 与原子核朝完全相反的方向改变运动状态，由此导致原子在原有热运动+固有的电子绕核运动 基础上，再增加了外电场与磁场作用下的偶极子化的强制运动。由此导致原子增加了与入射 光主频相关的时变电偶极矩的电偶极子类运动，并产生相应的、与入射光频率有关的次生光。 但因原子核比电子在同样的外电场作用下的加速度、速度和位移量小 1800 倍以上，我们可以 忽略其影响，主要探讨电子在外电场和磁场作用下的运动规律即可。由外电场为正弦波时的 电子加速度、速度与位移量关系可知（如上图一所示）：次生光与入射光的相位会相差 180 度， 即半个周期。这就是所谓的反射光半波损失的根源。也是不同物体表面因次生反射光的不同 而出现表面颜色、亮度不同的原因所在（入射光与反射光在不同强度和相位差的条件下叠加 结果自然就不同）。 当入射光使介质成为次生光源后，介质就会产生所谓的反射、散射、折射、透射、衍射和 绕射等次生光。它们的主要差别在于传递方向的不同。同时，振幅、相位、频率则主要由入 射光及介质性质决定。 实际上，电场与磁场还会使介质的分子热运动状态发生变化，从而导致介质的温度发生变 化，进而引起温度型电磁辐射特性的改变。这也是为什么经白天阳光照射后的地表物体会在 夜间不断散发热量或红外线并慢慢降低温度的原因所在。我们可以把此种现象称作光的转换 现象：介质将入射光转换成了其他频率的光。这种现象实际上无处不在：我们日常看到不同 物体表面的颜色千变万化、多姿多彩就是物体表面对入射光的转换所致。
    2.2、外电场强度大于单个周期摧毁原子所需强度时 当外加电场强度大到足以在半个周期内使原子中的所有电子脱离原子核的束缚时，就会产 生所谓的原子光谱：线性特征谱线簇。这个过程实际上也是外加电场使原子分解为多个带电 体并产生电场与磁场或称之为次生光的过程。但其产生的次生光是由二部分组成的：一部分2是由电子脉冲式运动产生的连续频率的光；另一部分是由仍保持原子被摧毁前的运动状态的 原子核产生的线性谱的光。也就是说：所谓的原子光谱——线性谱并非原子跃迁所产生，而 是原子核在没有外部电子中和的条件下产生的。 3、粒子驱动型辐射 契伦科夫辐射是典型的粒子驱动型辐射之一：当电子以高于介质内部光速的速度进入介质 后，会使介质中的原子电离并发光，且其所发出的光的主频为可见光中较高的蓝光，但也与 温度型辐射一样为连续频率谱的光。实际上，粒子驱动型辐射也是很常见的，比如我们日常 使用的各类电灯就是利用直流电或 50Hz 的交流电加速导体内部的电子，当电子高速碰撞灯丝 内部的原子中的电子并令其改变运动状态而成为脉冲式电偶极子，从而产生连续频率谱的光。 因为导线内部的直流只能产生恒定磁场；导线内部的 50Hz 交流只能产生 50Hz 的交变电场与 磁场。它们都不可能直接使灯丝中的电子产生可见光频率的光。 日常生活中会发现：瓦数越大的灯泡的钨丝越粗越短。这是因为当钨丝越粗越短时，钨丝 内部的自由电子的运动速度越快、数量也越多，能使更多的原子被激励发光。同时所发的光 的主频也会越高。 二、光的本质简述 从以上对产生光的过程分析可知：光就是由带电体产生的电场与磁场。只是由于我们周围 的介质都是由不同的元素的原子组成的分子或分子团构成的，它们在外部作用力作用下的运 动状态改变或自身固有热运动状态的改变过程中，原子、分子和分子团均会成为时变电荷量 的带电体，原因在于原子核与外部电子的运动总是不同步导致的。由此导致介质均会产生与 时变电荷频率有关的电场与磁场。 （图中虚线左侧为介质，虚线与右侧的短实线间为真空，短实线处为一反射镜）
    3由地球表面存在黑夜以及上面的动图中的光脉冲在真空中不会产生散射等电场与磁场相 互激励的次生光可知：在真空中，电场与磁场是不可能相互激励并形成所谓的电磁波的。也 就是光是不可能离开产生它的电荷而独立存在的。 三、将光当成电场与磁场的物理意义 1、可以直接解释光与介质作用出现的反射光的半波损失、偏振折射光的法拉第磁光效应 及杨发成的超黑材料单缝实验结果无衍射光现象等常见物理现象与物理实验结果； 2、可解释为什么真空中的光不会产生散射光并被侧视现象； 3、即使是光是电磁波，其本质仍然是电场与磁场。只是电磁波认为光的传递是由电场与 磁场相互激励而前行的，并不否定光的本质就是电场与磁场； 4、将光当成电场与磁场，其遇到介质时会使介质中的原子发生极化甚至热运动状态的改 变而产生所谓的反射、散射、折射、透射、衍射、绕射和转换等次生光，就可以很好地解释 日常生活中见到的各类物体的表面的颜色的复杂性、多变性等常见物理现象； 5、把光与介质的相互作用视为光的再生与转换，可很好地解释介质内部的光速为什么会 随密度的增加而降低等现象。特别是在同一介质中频率越高的光的速度越低和折射角越大的 现象。这些现象是所谓的携带与其频率成正比动能与运量的光子无法解释的。因为如果光是 光子的话，光在介质内部的折射光的速度应该是频率越高、速度越大、折射角越小才对； 6、由光的本质及其产生过程可知：光不可能是由单一频率的粒子构成的。因为只有在原 子被摧毁时才会出现线性谱（单一频率）的光，且在此过程中也产生连续频率的光，只是因 为在某一特定频率时的强度相对较弱而被人们忽略了而已。对于大多数情况下产生的连续频 率的光而言，是不可能用有限数量的不同频率的光子构成连续频率谱的。也就是说：连续频 率谱的光的存在是光子说无法自圆其说的、不可逾越的重大障碍。