光是科学家们了解周围世界的唯一信息来源。几个世纪以来,科学家们让光“开口说话”。
1670年,艾萨克·牛顿(1643-1727)通过玻璃棱镜观察太阳的白光,发现这束光发生了分解。他认为光是由微粒组成的。
1676年,奥勒·克里斯滕森·罗默(1644-1681)通过观测木星的卫星确定了光速。
1690年,克里斯蒂安·惠更斯(1629-1695)提出光由一系列通过以太传播的波组成,以太是一种非物质介质,在真空中作为载体传递光。
1801年,托马斯·杨(1773-1829)获得了干涉图样(见下图),证明光是一种波,因为波可以叠加和相消,从而产生干涉(明暗相间的区域)。这一实验有助于理解光的性质和行为。
1814年,约瑟夫·冯·夫琅禾费(1787-1826)在太阳光谱的可见光中发现了暗线。这位德国光学仪器师兼物理学家是首位利用光栅研究光的衍射现象(夫琅禾费衍射)的学者。当时,人们尚不清楚这些暗线出现在可见光谱中的原因,答案要到很久之后才揭晓。
1850年,罗伯特·威廉·本生(1811-1899)与古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫(1824-1887)发现,炽热物体发出的光谱线构成了一种可识别该物体的特征。通过观测太阳光的光谱,他们识别出地球上存在的多种化学元素,包括铯和铷。
1864年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(1831-1879)综合了电波与电磁波理论。他确定光是一种电磁波,且整个电磁波谱均为光。区分不同电磁波的关键在于波长。电磁波谱的各个波段不仅以波长范围划分,也以频率范围界定。
1900年,马克斯·普朗克解开了黑体之谜;他的公式完美描述了物体根据其温度所发出的光。换言之,高温对应高能量,低温对应低能量。
1905年,阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)解释了光电效应:是入射光的光子将电子从物质中剥离出来。
光子作为能量量子,普朗克已提出此概念,但爱因斯坦证实了这一点。这些光子因此具有特定能量,能够从金属中剥离电子。当太阳光线照射到我们的皮肤时,我们能感受到它们所携带的能量。
光确实由具有波动行为的光子组成,每个光子都对应着一定的能量。光子的波长越短,其能量就越高。
1911年,欧内斯特·卢瑟福(1871-1937)明确了原子的结构,并给出了原子核的大小约为10⁻¹⁴米。
1913年,尼尔斯·玻尔(1885-1962)提出了氢原子结构:电子位于量子化轨道上。电子在原子核周围洋葱皮状的某一层上,以特定距离运动。这就是原子吸收和发射光的原理。
1821年,托马斯·杨(1773-1829)著名的“杨氏双缝”实验,通过同一光源的两束光发生干涉。这一用光子完成的实验,此后已用所有粒子进行过。20世纪20年代用电子,50年代用中子,80年代用原子,90年代用分子。
注:光子能量 E = hν = hc / λ。 E 是以焦耳表示的能量,h 是普朗克常数(6.62 × 10⁻³⁴),ν 是频率(电磁振荡次数),c 是真空中的光速,λ 是波长。因此,光子的能量是无限小的。换言之,波长越短,频率越高,能量越大。