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05 光物质 Light Matters(第2页)

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假设你现在停止推秋千,会发生什么呢?孩子会以越来越小的幅度呈弧线摆动,最后慢慢停下来。

同样,原子也是如此。

电子逐渐停止振**,并把自身的动能转换为光能辐射出去。

这就是光的辐射过程,也是例如霓虹灯、荧光灯和激光笔等众多光源发光的原理。

在上面的说明中,我假设原子内部的电子之所以发生振**,是源自一些光束的照射,才导致了光的辐射过程。

从某种意义上来说,这就引出了一个问题:最初的这些光是如何产生的呢?事实上,我们可以用其他方法来“激发”

原子从而产生光。

例如,人们可以简单地通过加热材料来达到这一目的,普通灯泡就是这样一个例子。

让电流通过金属丝,金属丝会被加热到很高的温度(有几千摄氏度)。

随着金属丝的温度越来越高,电子开始与原子互相碰撞,且碰撞的次数越来越多。

这种碰撞激发了原子,也使得电子迅速地加速或者减速。

通过这一过程产生的光具有很宽的颜色范围,具体会产生什么颜色的光取决于材料被加热后所达到的温度,而不取决于构成这种材料的原子类型。

电也可以通过其他途径产生光。

例如,在发光二极管(light-emittingdiodes,缩写为LED,常用于显示器的制造)中,通过它的电流或者说是电子流,可以被原子直接捕获。

这种产生光的方法比利用热源产生光的效率要高得多。

荧光管也是利用电流直接激发原子,但这发生在充满气体的灯管中。

不仅如此,许多不同的化学或生物反应都可以释放能量,其中一些能量会以光的形式离开原子或分子。

这还可以用来解释萤火虫是如何发光的。

正如我们之前提到的,加速度具有两个方面的含义:一个是速度大小的变化,正如之前提到的氢原子中电子和质子速度的变化;另一个则是方向的变化,哪怕速度保持恒定时也一样。

加速度的方向变化在汽车转弯时很常见。

当汽车转弯时,你被推到车门的一侧或者座位的一侧,并感受到有一种力使你随着车一起转向。

当你转弯的速度越大,你感受到的力也越大。

这表明你在加速,即使在行驶速度上并没有发生任何改变。

当带电粒子经历这种只改变运动方向而不改变速度的运动时,它们也会发出光。

想象一下,一群电子被迫做圆周运动(你可以想象成它们被固定在旋转的车轮边缘处)时,由于这个角加速度的存在,它们会产生光。

随着电子做圆周运动的速度不断增加,光的波长会变得越来越短,因而光子的能量也越来越大。

以这种方式产生的光称为同步辐射,这也是产生X射线的一种常用手段。

它还与南北极极光的产生有关:来自太阳的带电粒子进入大气层时受到地球磁场的作用进行螺旋运动从而产生极光。

量子光的生成过程

以上提到的这些基本机制是所有光源产生光的基础。

但是当一些原子以群体的形式进行活动时,它们的行动方式会对最终辐射出的光的特性产生强烈影响。

正如我在第1章中所提到的,普通灯泡发出的光与激光笔发出的光截然不同。

为了理解这一点,我们需要深入研究原子的结构,因为原子的发光过程并不能完全类比成孩子**千秋的过程。

由于原子和分子是量子力学实体,因此对于原子的发光过程,我们需要考虑一下它们的量子特性。

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