光度单位

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引言

我们周围的一切之所以可见，仅仅是因为光的缘故。在没有光线的黑暗中，我们的身体将毫无用处。阳光也作为一种可再生能源，可以通过太阳能电池发电。

但是，主要的问题，也是许多物理学家争论的问题是——“光是由什么构成的？或者它的本质是什么？”许多科学家提出了各种理论来解释光的本质，但都失败了。然而，最终，量子理论被提出，它克服了先前理论的不足。让我们更详细地讨论一下。

什么是光？

许多物理学家提出了各种理论来描述光的本质。让我们逐一讨论它们 -

微粒理论

微粒理论是由艾萨克·牛顿爵士提出的。牛顿提出，光是由称为微粒的极小的粒子构成的。当光传播时，这些微小的粒子以非常高的速度运动。根据微粒理论，光速随介质密度的变化而变化。牛顿认为，光的颜色取决于单个微粒的大小。

然而，牛顿的微粒理论面临一些严重的缺点。它无法解释光的干涉、衍射和偏振现象。此外，牛顿在他的理论中提到，微粒的速度随着光源温度的升高而增加，但没有发现此类结果。

惠更斯理论

惠更斯提出，光波既是机械波又是横波。

惠更斯假设整个空间都充满了一种低密度、均匀且各向同性的物质，称为以太，它充当光波传播的介质。惠更斯理论解释了干涉和衍射，但未能解释康普顿效应和光电效应等现象。后来，人们发现并不存在所谓的以太。

麦克斯韦电磁理论

根据麦克斯韦的理论，光是由电场和磁场组成的传播横波。电场和磁场相互垂直振荡，这两个平面都垂直于光传播的平面。麦克斯韦的电磁理论在解释黑体辐射时遇到了严重的缺陷。

普朗克的量子理论（正确的理论）

普朗克的量子理论是对麦克斯韦电磁理论的改进版本。普朗克提出，光是由称为量子或光子的非常小的离散能量粒子构成的。这些量子或光子以特定频率（例如ν）的波的形式传播。每个量子的能量由下式给出：

$$E = hν$$

其中 - **h** 是普朗克常数，ν是频率。麦克斯韦的电磁理论认为，物体吸收或光源发射的能量是连续的。然而，普朗克认为吸收和发射是不连续的（以能量包的形式）。量子理论能够解释黑体辐射、光电效应和康普顿效应。普朗克的理论能够对这些现象给出正确的解释。

在讨论了这么多理论之后，我们最终可以给出光的正确定义：光是可以被人眼感知的电磁辐射。这种光也称为可见光 (400 nm < λ < 700 nm)。

光的性质

下面讨论光的性质：

• **传播介质：**光不需要任何介质就能传播。它沿直线传播。

• **已知最快速度：**光速为 $\mathrm{c = 3 \times 10^8 \: m/s}$。没有任何物体能够比光速更快，即光速是物体能够达到的最大速度。

• **矢量加法定律的不可行性：**矢量加法定律不适用于光速。有人可能会认为，我们可以通过矢量加法的方法超越光速。然而，合速度将始终等于 $\mathrm{3 \times 10^8 \: m/s}$。

• **反射特性：**当光线照射到反射表面时，会遵守反射定律发生反射。

• **折射特性：**光线在从一种介质传播到另一种介质时会发生弯曲。它也遵循斯涅耳定律。

• **色散特性：**一束光通过由玻璃制成的三角形棱镜时，会分解成其组成的彩色波长。这种现象称为色散。

图1.光的色散。

• **偏振特性** - 太阳光线中电场矢量连续地在垂直于光传播方向的所有方向上振动。如果这束光通过偏振器，我们只能在一个平面上维持这些电场振动。这个过程称为光的偏振。

图2.光的偏振。

• **衍射特性** - 光绕过拐角或通过狭缝（前提是狭缝尺寸 ≥ 光的波长）弯曲，使得光传播到阴影区域并照亮它。这种现象称为衍射。

光度单位

光不是可以测量的物理量。但是，它的一些参数是可以测量的，这些参数可以告诉我们光的性质。让我们讨论一下：

• **坎德拉 (cd)：**坎德拉是发光强度的SI单位。发光强度是光源每单位立体角发射的发光功率的测量值。

• **流明 (lm)：**它是光通量的SI单位。光通量是光源发射光的速率。一个坎德拉持有总共12.57流明的光通量。

• **勒克斯 (lx)：**它是照度的SI单位。照度是每单位面积通量的测量值。一个勒克斯等于每平方米一流明。

$$1\:lx = 1\:lm/m^2 = 1\:cd\:sr/m^2$$

属性	单位
发光强度	坎德拉 (cd)
光通量	流明 (lm)
照度	勒克斯 (lx)

结论

光是一种电磁波，同时具有波动性和粒子性。光的量子理论是由马克斯·普朗克提出的。光速是物体能够达到的最大速度。反射、折射、衍射和偏振是与光相关的现象。坎德拉、流明和勒克斯是用于测量与光相关的属性的一些单位。

常见问题

Q1. 虹的形成涉及什么现象？

A1. 光的全内反射。

Q2. 光子的静止质量是多少？

A2. 零。

Q3. 什么是光年？

A3. 光一年内传播的距离称为光年。

$$1\:光年 = 5.88\:万亿\:英里$$

Q4. 什么是快子？

A4. 快子是一种假设的粒子，其速度快于光速。然而，在实验中没有发现这种粒子（尽管科学家预测它的存在）。

Q5. 解释阴影的形成。

A5. 光线照射到人体上并被反射，在其后面留下一个黑暗的阴影（取决于物体的形状）。