2.光的波粒二象性《颜色-不是你想象的那样(第二版)》

上一节介绍了不同波长的光有不同的能量,光的一种电磁波,这是光的波动的性质,但光还有粒子的性质。这就是光的波粒二象性。

01

光的波粒二象性(wave-particle duality)

说明的是光的基本粒子或量子不仅可以部分地以波的术语来描述,也可以部分地用粒子的术语来描述。

光既是粒子(如沙子一般一粒一粒的),又是电磁波(如水波一样波动着)

这不就是流沙河吗!!!

(视频3.48M,请在wifi下观看)

可以这样理解,光在某些情况可以用粒子的规则来描述,某些情况又可以用波的规则来描述:

  • 对于可见光的能量问题,可以用波的规则来描述——不同波长的光能量不一样,是一个连续变化的概念。

  • 对于颜料染料的发色原理,可以用粒子的规则来描述—— 分子特殊化学键中电子的跃迁对特定波长光的吸收产生的颜色。但这种变化不是连续的,而是量子化的。不同能量的间隔称为“能级”。分子只有吸收能级之间的能量差的能量,才到被“激发” 从一个能级跃迁到另一个能级。

02

光的波动性质:波长(wavelength)

光是一种电磁波,不同类型电磁波由三个特征量来描述:频率,波长和振幅。在讨论不同类型的光的时候,用波长来衡量。

波长,是指波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿着波的传播方向,相邻两个振动位相相差2π的点之间的距离。如下图用λ来表示波长。波长λ等于波速v和周期T的乘积,即λ=vT。同一频率的波在不同介质中以不同速度传播,所以波长也不同。

波长与能量之间的关系式是:E=hc/λ

  • E代表能量

  • h为普朗克常数,h=6.626196×10^-34 J·s

  • c是光在真空中的光速,c=299792428 m/s

  • λ 就是波长,单位m

然后我么就可以这样理解,光的波长就是在一个振动周期的长度:

  • 波长越长表示波速越小,频率越小,能量当然就越低了;

    (类比抖绳子,用的力气小,绳子抖得幅度就小,动得就慢,对应的能量就低 )

  • 波长越短表示波速越大,频率越大,能量当然就越高了。

    (类比抖绳子, 用的力气大,绳子抖得幅度就大,动得就快,对应的能量就高)

03

光的粒子性质

不同波长对应的不同能量,就是基于这个量子能量公式 E=hc/λ 计算出来的, 通过非常直观的量化数据可以看出,波长越短的光,能量越大。

颜料染料之所有有颜色,或者有这么多颜色的颜料染料,其实都是因为这些化学分子特殊化学键中电子的跃迁对特定波长光的吸收,而产生的颜色。不同的化学键里电子的跃迁需要的能量不同,吸收的光的波长也不同。详细见另一个系列《颜色-源来如此》

小结

  • 光的波粒二象性表明光在某些情况可以用粒子的规则来描述,某些情况又可以用波的规则来描述。

  • 光的波长越短的,能量越大;波长越长,能量越小。

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