請講一講幾個關於電磁波和光子的燒腦問題(見問題描述)?

火奴努努


1、電磁波到底是磁場電場的振盪還是光子流?

電磁波實際上既是電磁場的振盪(電場和磁場是一個東西),也是光子本身。一個光子也是電磁波,也是電磁場的振盪。光子是這種振盪波的最小單位。不會出現半個電磁波振盪這種現象。

光作為波,具有諸如波長和頻率的特性。我們將光的量子視為單個粒子,稱為光子。事實是,光具有充當波或粒子的獨特屬性。當我們分析光與物質之間的相互作用時,將光視為粒子很方便。

光子不是一個實體的球,它只是一種抽象的用於描述電磁波振盪形式的概念。就像我們可以用“水波子”這種概念來描述“水波”的振盪一樣。

2、光子的頻率和波長,與電磁波的頻率與波長是什麼關係?

某個光子的頻率和波長就是光子這段電磁波的頻率和波長,它們就是同一個東西。我們在上面一個問題中已經把這兩個概念的關係同一化了。所以光子的波長和頻率就是指光子所帶表的電磁波的波長和頻率。

大量的光子在一起運動,那麼每個光子都可以以自己的頻率和波長存在。我們看到的太陽光實際上就是不同頻率和波長的光子同時進入我們眼睛而被看到的。單色光只包含大量相同頻率的光子。

但為了不讓人搞糊塗,就可以說光子就是電磁波本身,而不是說許多光子集合起來構成了電磁波。

上圖:光子的時空結構,就是一個完整的電磁波波長(或者週期)。

3、高功率的微波為何不能造成電離效果?

“光電效應”是光可以在金屬板上感應電荷的過程的名稱。海因裡希·赫茲(Heinrich Hertz)於1887年首次觀察到這種現象,當時人們開始將光視為粒子。愛因斯坦在1905年撰寫的對此效應的解釋為他贏得了1921年的諾貝爾獎。它是在光子與電子碰撞,消失並將其能量傳遞給電子時發生的。如果光子具有足夠的能量,則電子將從原子中排出。愛因斯坦撰寫本文的動機是為了解釋紫光弱光束如何引起這種效應,而非常明亮的紅光光源不會引起這種效應。

要造成電離,需要足夠高的能量,這個能量要高到能夠把電子從原子當中“敲打”出來。不同的物質被電離的能量要求是不一樣的,這就是光電效應的能量門限值。

金屬板上的電子具有一定的能量,這種能量可以通過“功函數”來描述。它被更嚴格地定義為將電子推離原子核無限距離所需的能量

(也就是電離能)。我們可以利用勢能方程輕鬆地計算出簡單原子的原子數,諸如下面這個氫原子的功函數:

V = 1 /(4 \\ pi \\ epsilon_0)*(q_1)(q_2)/ r

對於氫原子以外的任何原子,功函數會變得過於複雜而無法計算。電子的能量取決於原子核的電荷、電子的電荷以及原子核與電子之間的距離。

量子電動力學理論告訴我們:

每個光子的能量為E = h\\v

其中h是一個普朗克常量,具有近似值:1.05457148 * 10 -34 m 2 kg / s,

其中v(實際是希臘字母“nu”),指光的頻率。

光的頻率與光的波長成反比。具體地說,

λ=c/v

在常數c是光速的情況下,λ是波長,而v是頻率。

因此,回到我們以前的方程,光子的能量也與它的波長成反比。在所有可見光中,紅光的波長最長(因此能量最低),而藍光的波長最短(能量最高)。

可見光的光譜範圍為450(紫)-700(紅)nm。

上圖:藍色光子(波長= 475 nm)撞擊金屬板並敲出電子。藍光比大多數可見光具有更多的能量。

上圖:綠色光子(波長= 510 nm)撞擊相同的金屬板。由於綠光的能量(每個光子)比藍光的能量少,因此電子以較小的能量被敲出,因此速度也較小。

上圖:紅色光子(波長= 650 nm)撞擊金屬板。紅光具有最高的波長(最低的頻率),因此在所有可見光中的能量最少。在這種情況下,光子的能量小於“功函數”。因此,電子吸收了光子,卻沒有獲得足夠的能量逃逸到金屬板上。

而光的能量並不與光子的密度相關,而是與光的頻率相關。也就是說只調亮光的強度是無法促成光電效應的,要調的應該是光的顏色。藍光就要比紅光更容易導致電離。

通常金屬更容易被電離,因為金屬外層的電子比較自由,稍微來點能量就給踢出去了。但一般常用金屬的電離的頻率範圍應該都在可見波段偏藍端(一般是要綠光以上),像紅光都不能造成光電效應,就更別說頻率更低的微波了。

微波的頻率遠遠低於可見光,不管微波功率有多高,其中光子的能量還是很低的。提高微波功率只是提高了光子在單位時間上的通量,而不是提高光子的能量。因此微波基本上是沒法造成電離的。

上圖:電磁波譜及波長示意。

4、電磁感應與光電效應能否視為本質相同(磁通量變化造成電動勢=光子為電子提供能量)?

光電效應從某種意義上來說,可以被視為一種電磁波能量轉化為電子的動能的過程。但說成是形成洛倫茲力的電磁感應,似乎其本質是有聯繫的,但不嚴謹。

光電效應是能級模型的一個特殊情況,即電子被激發到電離的能態,結果就是電子離開原子核的束縛飛出去了。激發的過程可以說是光子與電子之間的感應,但是能級的躍遷則屬於一種量子效應,這是原子核外靜電勢能場的一種量子現象。

我們宏觀上所說的洛倫茲力實際上是這種微觀現象的宏觀表現,雖然我們稱之為電磁感應現象,但實際上描述的是同種原理下不同尺度上的不同表現。本質上都歸咎於電子動能的改變,但不同尺度上體現為不同的現象,一個叫洛倫茲力,另一個是光電效應。

上圖:電磁場中的洛倫茲力示意。

總結

光子就是電磁波,電磁波就是光子。


小宇堂


光?是電磁波的頻段使視覺神經共振吸能的的表達,約400A一650A頻段的頻率,低於400A當紅光之外的頻段簡稱紅外線,手機伩號不到1A,650以上為紫外線,所以電磁波這個頻段叫光波,又因為電磁波傳播是不連續的似段段堆堆呢?所以又叫子,粒子,光的粒子叫光子,不要以為粒子就是蘋果形狀,天上一塊單獨立白雲叫它做一粒白雲又有何不可?


霜葉9975


我們的宇宙是穩恆態宇宙,在某些層次內確實在膨脹。圓球套圓球……圓球套比它小的許多圓球……大圓球套小圓球,我們地球之外還套了30幾層的圓球面……每個圓球面有各自的中心有各自的對環流層。我們的物質世界非常龐大。我們的物質世界之外還有許多大型的物質世界。就是由這許多大型的物質世界組成的宇宙……穩恆態宇宙。宇宙代表整個空間而不是代表單一的大型物質世界。

大型物質世界是單一的物質世界……各個單一的大型物質世界被真空隔離它們沒有相連。宇宙包含了許多許多無數無窮盡的大型單一物質世界……我們就在其中一個大型物質世界內部。


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