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第十四节 光的物理本质 一、光可以旋转和具有角动量 早在20世纪初，人们就已经有了圆偏振光能够输运角动量以致引起旋转的概念。坡印亭(J.H.Poynting)于1909年将光与力学系统进行类比后，认为圆偏振光具有角动量。5年后，爱泼斯坦(P.S.Epstein)通过计算波作用在各向异性介质中感应电偶极子上的力，精确地得到引起旋转的力偶。 如果假设引起光偏振的系统由波和起偏晶片组成，这个系统当然应符合角动量守恒这一普遍规律，所以，必须承认电磁波也具有角动量，而且它的变化与晶片的角动量变化相反。具体地说，光有三类：不旋转的、左向旋转的和右向旋转的光。 1936年，首先是美国人贝思(Beth)，紧接着美国人霍尔朋(Holbourn)从实验上证明了上述结论的正确性。他们设计了一个圆筒型的暗箱，用一根极细的石英丝将一系列的波片和平面镜悬挂在暗箱中。将一束圆偏振光射入暗箱，结果发现波片发生了偏转。 上述实验虽然验证了光线具有角动量，但是由于可见光和近红外光的频率大于1014赫，所以合力矩极小。即使在实验中采用扭转系数很小的扭丝，如石英细丝，这个偏转角也只不10-3弧度。对这么小的变化进行定量测量，在当时几乎是不可能的。 增大作用力矩的有效办法之一就是增大光线的波长，也就是必须提供频率相对低的电磁波。20世纪40年代，随着雷达技术的发展，射频波成为了理想的光源。它的波长要比我们眼睛能看到的可见光波长要大上千倍，作为有别于以前的新光源相当理想。意大利科学家卡拉拉(Carrara)于1949年利用射频波很容易地完成了定量测量光角动量的实验，他采用的装置类似于贝思的，只不过将波片替换成能吸收射频波的器件。 当然，我们今天已经清楚地知道，光的能量传播以光子形式进行，能量P=h w/2π(h为普朗克常量)，因而它同时带有P/w=h /2π的角动量。我们采用右手螺旋法则，定义沿磁场方向右手旋进的光为s+偏振，反之为s-偏振，角动量为零的是π线偏振光。而在当初，得到这样定量的结果相当不容易。 光具有角动量这一性质最终被应用于实际研究中，人们通过它得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。 光可以旋转和具有角动量就有力地证明了是一种涡旋波。 二、光的特性 1、光是一种涡旋波 因为磁是以太的涡旋，这种涡旋也会在电磁以太中以光速传播。由于涡旋的大小和方向以变化的，也就是一种“交变”的以太涡旋，这种交变的以太涡旋的传播就是电磁波了。光也是电磁波的一部分，因此，光也是一种涡旋波。实际上，电磁波是一种纯粹的磁波，没有一点电的成分。涡旋电流仅仅是电磁以太的涡旋源——一种受迫振动源。 2、光是横波 电磁以太涡旋的切线方向是电磁以太涡旋的线速度方向，也就是电磁以太媒质的振动方向。而涡旋一旦生成就会由内向外传播，这种方向显然是径向。电磁以太涡旋传播的半径的方向和电磁以太涡旋的切线方向是垂直的，因而光是一种横波。 3、光是无散波 因为电磁以太的力学特性是无散的，以太只能以涡旋态存在，这便是磁了。显然磁也是无散的，光又是交变涡旋在电磁以太中的传播，因此光就必然是无散波了。这一结论是非常重要的，它能直接推导出如下的光不是纵波和光速不变。 4、光不是纵波 由弹性力学可知，纵波是一种无旋波，传播纵波的物质分子仅仅作往复直线运动——平动。而空间中的电磁以太是无散的，只能作涡旋运动而不能作丝毫的平动（发散），也就是说，电磁以太不能作任何的往复直线运动，因此空间的电磁以太自然就不可能产生纵波了。这就是光不是纵波的原因所在。两个平行偏振片有一个位置恰好可以完全遮挡光的试验证明，光是纯粹的横波，丝毫没有纵波的成分。（如果光有纵波的成分，纵波部分就可以通过上述两个偏振片。） 5、光速不变 光是一种无散波就能说明光速为什么不变。因为传播光的媒质——电磁以太是无散的，也就是说电磁以太只能被带旋不能被带散，电磁以太的涡旋只能是自动扩张传播，电磁以太不能被其它物质带作平动（电荷和介质外面一个很小的表层可以带动电磁以太一起作平动）。光是交变电磁以太涡旋在电磁以太中的传播，这种电磁以太涡旋也是自动扩散传播的，根本不能被其它物质带作平动，也就是说，光不能被任何东西所带动，因此光速就是电磁以太涡旋自动扩张传播的速度。这种扩张传播的速度是不变的，光速当然也是一个恒量了。 三、光是怎样产生的 电子沿原子核运转就会不断产生电磁辐射导致电子动能减少而逐渐降低轨道，以至最后掉到核中。可是，按目前的经验，稳态原子电子轨道不会降低，电子轨道服从量子规则。 一方面，电子绕原子核运转，就会在空间产生各种各样的电磁波，有全波、半波以及各种脉冲。或者称为白噪声。这时是电子的动能变成了电磁波的能量；另一方面， 在我们周围空间中存在着各种方向和各种频率的电磁波，如果空间电磁波的相位完全和电子产生的电磁波的相位一致，它们之间就会发生共振而产生能量的交换，振幅大的一方会向振幅小的一方转移。由于空间中任何一种频率的电磁波的强度不会为零，当电子产生的电磁波和空间存在的电磁波的能量处于平衡时，它们之间就没有能量的交换，从而电子也就不会产生电磁辐射。也就是说，电子动能损失以后，当其振幅小于空间电磁波振幅时，绕原子核运转的电子会自动地和空间电磁波发生共振而增加振幅，直到两者的振幅相等为止。（光、热和电磁波的辐射的物理本质就是这种共振。）因此，只要温度不是绝对0度，空间就会存在各种各样频率的电磁波，绕原子核运转的电子就永远不会落到原子核上。 稳态原子电子轨道有许多个，每一个稳态原子电子轨道的频率是固定的，但轨道的高度有一个范围。电子的能量越大，轨道越高，线速度越快。当电子从电磁波中吸收了一定的能量，电子轨道也会提高到一定的程度以后，电子轨道会变得不稳定，此时，电子会加大频率而进入另一个稳定的电子轨道，这就是电子轨道的跃迁。显然，电子轨道在跃迁前必须吸收一定频率的电磁波的能量。反之电子在一个较高能量的轨道，放出一定频率的电磁波的能量后，进入另一个频率稳定的电子轨道。我们说，放出一定频率的电磁波的能量这就是光。 如果空间电磁波的能量大于共振于电子产生的电磁波的能量，例如一束单色光照在原子上，电子就会获得能量而离核越来越远，甚至脱离原子核，这就是光电效应。显然，由此产生的光电子的速度只与光的频率有关，而与光的强度无关。光的强度只能增加光电子的数量。这与光电效应的结论是相吻合的。因此，用光的波动说同样可以解释光电效应，而且解释得更加合情合理。 由此可见，物质的分子可以用共振的方式与周围空间中的电磁波交换能量，特别是交换热量。同时，物质的分子在高温下，其分子和电子的各种运动更加剧烈，能产生能量很大的电磁波，它们能发光和发热也就是很正常的了。 四、光子是什么 从光的物理结构来看光无可争辩地是一种涡旋波而不是一种粒子。 1900年普朗克在对黑体辐射的研究中，从物质的分子结构理论中借用不连续的概念提出了辐射的量子理论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以一个确定能量基元整数倍的能量从振子射出，这种能量基元称为量子，光的量子称为光子。 电子轨道服从量子规则，其原因是电子以一定的频率绕原子核运转，可以把绕原子核运转的电子看成是一个涡旋振子，这个涡旋振子就是电子轨道具有量子的含义。因此，光子并不是粒子，而是一种涡旋振子。 ------------------------------------------------------- 《辩证唯物主义的最新武器》是一本什么样的书？它： 揭示对立统一规律和辩证法的物理实质；对牛顿力学本质原理的最新发现；对电磁现象本质原理的最新发现；对天体演化本质原理的最新发现；弥补牛顿力学的严重缺陷；彻底批判爱因斯坦相对论的唯心观点；有中国时空特色和力的大统一；彻底揭示时间和空间的本质；力、电、磁、光的大统一；地壳会消亡吗？天体如何演化？ 要看该书请点击：http://yebo.nease.net/000001.htm> |