为什么波长越短能量越大?光的波长与能量的公式

夏季在太阳下的时候,感到太阳发出的紫外线很强,把皮肤晒的生疼。频率不同的光线产生的能量就不同,这是为什么呢?因为光线的频率越高,单位时间内传播的光子数量就越多。光线在单位时间内传播的光子数量与光线的频率在数量上相等。下面就来看看为什么波长越短能量越大?以及光的波长与能量的公式吧。

光实在是我们这个世界最奇妙的一种存在,它似乎主导着我们这个世界的每一个角落。

如果没有光,人类似乎就什么都谈不上。白天光天化日,阳光洒满大地,即便没有阳光的阴雨天,光明也是充满着人间。

但一到了晚上,如果没有月光、星光、灯光,就会漆黑一片。这些光明都到哪去了呢?怎么就消失得无影无踪了呢?

即便在一个房间,灯光照亮,满屋生辉,但一熄掉灯,就会陷入一片黑暗中。

这一切,都充满了神奇,这些时刻伴随着我们的光,怎么说走就走,连一丝丝也不留下呢?

没有人不知道可见光,但光除了可见光,还有不可见光,而且占据了整个光谱频段的绝大部分,可见光只是其中小小一段,这一点,恐怕就不是每个人都清楚了。

其实我们的视网膜看到的只是可见光,而这个世界还充满了不可见光,即便是漆黑的夜晚,它们也荡漾在每一个角落。

为什么波长越短能量越大?光的波长与能量的公式

爱因斯坦创造的现代物理学两块基石~狭义相对论和广义相对论,就是从光说起的,光速、光的性质以及洛伦兹变换,是相对论的基础。

事实上,爱因斯坦另一篇巨作~《关于光的产生和转化的一个启发性观点》,这篇1905年发表在莱比锡《物理学刊》上的论文,是他最早成名之作,却在相对论光辉的掩映下,常常被世人忽略。

正是这篇论文,使爱因斯坦成为诺贝尔物理学奖的得主,而爱因斯坦终其一生,也就得过这一次诺贝尔奖。

而这篇论文虽然没有后来的相对论那么的博大和运用广泛,但却是一个起点,没有这个起点,就没有后来的爱因斯坦,而且这篇论文,还奠定了爱因斯坦量子力学奠基人之一的地位。

它在这篇论文中,首次提出了光量子的假设,完美的解释了困扰物理学家们20多年的光电效应,证明了光既是微粒又是波的波粒二象性,统一了牛顿与惠更斯一直对立的光学理论。

从此,人类对这个天天与自己打交道的玩意有了更为深刻的认识。

为什么波长越短能量越大?光的波长与能量的公式

光量子是传播电磁辐射的媒介,某种意义上来说,电磁辐射就是光各个不同波段的表现。

而在这长长的光波频率里,只有一小段是可见光,就是我们一睁开眼就能够看到的光。

光量子肩负着传递电磁辐射的任务,是一种规范玻色子,其静止质量为零,不带电荷。

光波越长,则频率越低,能量也就越低;光波越短,则频率越高,能量也就越高。

光子携带的能量有大有小,计算方法为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积,表达式为E=hv。

式中E表示能量,h为普朗克常量,取值h=6.626×10^-34J·s。

这样,我们可以理解为光波就是光子的波动性,而频率就是光子的粒子能量性。

那么电磁波全频段波长和频率是怎样存在的呢?

电磁波由于是光子为媒介,因此在真空中传播速度为光速c,即c=3×10^8m/s。

电磁波在传播时,量值最大两点之间的距离就是波长λ;电磁每秒钟变动次数就是频率f。

电磁波波长与频率之间的关系式为c=λf。

由此可知波长与频率成反比,波长越长,频率越低;波长越短,频率越高。由此我们还可以得出,波长越长能量强度越低,波长越短能量强度越高。

这种关系可以表述为λ=c/f或f=c/λ。

为什么波长越短能量越大?光的波长与能量的公式

根据这个关系式,我们得出电磁波各个频段的波长和频率(见上图)。

以上电磁波长与频率的关系图中,我们可以看出,可见光只是电磁波谱中380~760nm这样很小的一个频段,电磁波绝大多数频段,比可见光波长更长或更短,比可见光频率更低或更高的电磁波频段中,都有不可见光的存在。

在比可见光更长的波谱中,有红外光、微波和无限电波;在比可见光更短的波谱中,有紫外线、X射线、γ射线。而X射线、γ射线属于高能射线。

电磁辐射全波段,都是依靠光子传递的能量,因此它们都是光的某种存在形式。

那么我们天天看到的可见光既然不可以穿透墙壁,那么阳光照射大地、灯光照射照射墙壁,光源一熄灭光就马上消失不见了,它们到哪里去了呢?其他波段的“光”,也就是电磁波,也是一样吗?

不,不是一样的。这些电磁波虽然都是出生于“光”祖宗,但龙生九子,各不相同,每个频段的“光”都有不同的本领。

我们眼睛能看到的可见光,光源一离开光也就没有了,但其他波段的不可见光,却时刻的围绕在我们的身边。

长波段的无线电波,能量强度小,但可以绕过障碍物,被物体吸收得少,传播得更久远。这就是为什么在长距离甚至太空通讯中,主要采用无线电波的原因。

而可见光波长相对并不长,只有几百纳米,遇到障碍物,绕过率就很小;而一般物质的分子间隙在0.2纳米左右,可见光波长却有几百纳米,所以一般物资都无法通过,只有硬着头皮撞了,撞上了就被反射、折射、散射、衍射和吸收。

这样一折腾,很快就没了,光源一黑,自然就黑了。

为什么波长越短能量越大?光的波长与能量的公式

也许有人会说,既然墙会反射,就说明光并没有全部被吸收,反射的光还会在房间,怎么一关灯就没了呢?

光如果能够百分之百的反射,当然就会一直保留在一个四面反射的房子里。可惜在我们世界,并不存在能够百分之百反射光的物质。

较光滑墙面对光的反射率在70%左右;屋顶保温隔热防晒的高反光材料的反射率可达到90%;一般镜子的反射率也就在90%左右;望远镜的高反平面镜镀膜反射率可达97%;电泳介质镀膜的反射率可达99.7%。

一般建筑不可能用反射率最高的电泳介质镀膜做墙面,除非特殊的科学实验场地。即便用这种高反光材料做墙面,也无法把光全部反射,这样光就会很快被消耗掉。

为什么波长越短能量越大?光的波长与能量的公式

有人又会问,不管怎样,反射也会有一个时间差吧,总不会一关掉电源,房间同时陷入黑暗吧,这些光总有一个反射消耗过程吧。

是的,理论上是这样的。但这个过程你是没有办法看到的,因为太快了。

我们可以计算一下,一个房间墙壁之间空间即便有100米长,即便光就在两面墙之间不断反射,每次按照电泳高反光材料反射率达到99.7%来计算,也就是反射一次消耗掉0.3%。

我们不计算递减消耗,否则永远也消耗不完。后期微量的剩余光子不会被人类感知到了,因此如果按照简单平均计算,全部消耗完这束光要在墙之间来往333次。

虽然实际上空间还剩下约4/100000的光子在房间荡漾,但已经完全是人眼无法看到的了。

这样我们可以得出一个式子:

t=100×333/c

式中,t为消耗所费时间;100是墙之间的距离,333为消耗完这束光需要在两面墙之间来往的次数,c为光速,取值3×10^8。

得出的结果是约9000分之一秒。

也就是说,即便这间房子有100米宽的两堵墙之间,有一个光源在其中让墙壁反射,而且这两面墙壁比镜子还要高很多的反射率,不考虑光源被折射、散射、衍射,也只需要9000分之一秒就全部消耗完了。

为什么波长越短能量越大?光的波长与能量的公式

而世界上绝大多数的房间都没有100米宽,而且房间还有上下左右都可以反射和吸收,这样光被吸收的时间就更快了。

人眼反应时间最短可捕捉0.2秒左右的光变,也就是说,如果在0.2秒以上的光变化,人眼才能够识别出来。而这个消失的光却是约万分之一秒,也就是0.0001秒就没了,比人眼的感受极限小了几千倍,人眼怎么能够感觉出来呢?

当然,现在人类有了许多高精度设备,如飞秒技术摄像机,用这种摄像机可以拍摄到光速移动的慢镜头,如果在房间拍摄广被吸收和消失的过程,是完全能够记录的。

因此我们可以得出,在一个密闭的房间,从打开光源的那一刻开始,光就会在房间内的墙壁等一切物体上反射、折射、散射、衍射、吸收,很快就会被消耗掉了。

白天的阳光也是这样,太阳出来洒满大地,太阳落山黑暗降临。当然在太阳没有出来时和落山后,天空还会有一段时间的光亮,那是因为人们虽然在地面上看不到太阳了,但高空还是有阳光照射的,通过大气的反射折射散射衍射,辉光就会在大地和天空出现。

为什么波长越短能量越大?光的波长与能量的公式

那么这些消耗掉的可见光最终到那里去了呢?当然是被吸收消耗转化了。

这种吸收和转化是怎样进行的呢?

太阳光是由于核心核聚变释放的巨大能量,以电磁辐射的方式散布到太空,其中有22亿分之一来到分配给了地球,这些电磁波到了地球后,我们人眼看到的只是可见光,而不可见的低频和高频电磁辐射我们看不到,但存在着。

从微观来说,光源发出的光是因为光源中的电子获得了额外能量,就会从基态变为激发态,向更高能级轨道跃迁,如果因能量不足跃迁到更高轨道,电子就加速运动,并以波的形式释放能量;跃迁之后如果能够从激发态到稳定态,刚好填补了所在轨道的空缺,电子就停止跃迁了,否则就会回落到之前的轨道,又会以波的方式释放能量。

这就是我们看到的光的来源。

光量子从光源被释放出来后,就马不停蹄的以光速运动,当碰到物体后,就会与碰到的物质原子核外电子发生撞击,并将其能量转移到电子身上,这样这个光子就消失了。根据能量不灭守恒定律,这个电子获得了额外的能量,就会从基态变成激发态,跃迁到更高的能态,这就是光的吸收。

而激发态的电子如果无法在高层轨道稳定下来,不得不回落到基态,又会放出能量,这就是光的反射。

被吸收的光以能量方式储存或者释放出来,比如在太阳光照下,物体会发热,这就是光能的转化。

为什么波长越短能量越大?光的波长与能量的公式

当然这个吸收率或者反射率的大小,就根据分子结构决定了。根据光的波长和频率不同,不同的材料会有不一样的吸收反射透过效果。

以阳光为例,阳光是有七色光组成的,红橙黄绿青蓝紫,组合在一起就成了白色的光,但在棱镜下就可以把这些颜色分离出来。

不同物质对这些不同波段的光吸收能力不一样,因此有的被吸收,有的被反射,这样我们就看到了五颜六色的世界。如果所有的物质都对光的吸收率是一样的,那我们看到的就是一个单调的世界。

不同波段和频率的电磁辐射对物体的穿透率是不一样的。如X射线、γ射线等高能射线,由于其波长极短,一般在0.01纳米以下,因此就可以穿越很多物体,对这种波段来说,许多物体都是透明的。

如医院用X射线对人体透视检查就是利用了这个原理。

光与物质的相互作用过程很复杂,涉及到光电效应、康普顿效应、电子对效应等等,不同能量的光子被吸收或者反射的机制差别很大,这里不一一描述。

就是这样,欢迎讨论,谢谢阅读。

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