今天我想介绍一些与我的名字有关的东西。 我爸妈太厉害了他们预言我会在中国大放异彩，就给我取名“国光”。 他们的期望把我带到了中国大陆这片福地，也许不能满足他们的要求，但是我会越来越努力，对得起他们给我的名字，所以今天的主题就出来了，就是“光”，因为它的本质是电磁波，所以我把这两个我在生活中经常听到的文科生最难的东西结合起来介绍。 我希望我的这篇文章能让你更好地理解这些科学的简单原理。
◆2.1 灯光
近日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。 为什么用“墨子”？ 你可能不相信第一本描述光的科学书籍是我们的祖先。 他就是战国时期的墨子。 大约在2400年前，墨第（墨子）和他的学生们做了世界上第一个小孔倒像的实验，《墨经》中记载如下： ，当场面较长时，在最后说。 “风景光之人，若射之，下者高；景枯内也”。
这几句话不仅解释了小孔形成倒像的原因，而且指出了直线光的性质。 这是对光的直线传播的第一个科学解释。 从现代科学萌芽到20世纪初，关于光是波还是粒子的争论持续了将近四百年，直到爱因斯坦做出最终决定。 他说光既是粒子又是波，光具有波和粒子的双重特性。 是时候完全解开光的所有奥秘了。
墨子和爱因斯坦都是伟大的科学家和哲学家。 墨子的博爱互不侵犯思想和爱因斯坦反对将科学成果用于战争、主张和平利用科学的思想，都是反对战争、热爱和平的伟大人物。 性格，说不定喜欢偷偷研究“光”的人就有这样的性格！
▲2.1.1光的特性
波是理解光为什么会发生干涉和衍射的最佳方式。 先从基本的波说起：想想中小学，我们对波的想象就是大海的波浪，我们对波的理解就是声音，波 声音的特性是波长、振幅和频率。 这三个参数可以从我们日常生活中的声音中了解到。
每个人都应该有过往水壶里倒水的经历。 如果注意一下倒水后回声的细节，可以发现随着水瓶水位越来越高，回声会越来越尖锐。 我们用这个生命来解释波浪，如果我们把水倒进水瓶里，随着水瓶里的水位越来越高，声音就会越来越小。 水位的高低影响声音的大小。 动能影响声波的振动幅度，也就是声音的音量大小。
水瓶装的水越多，它能容纳的驻波就越短，这意味着声音的频率越来越高，音调也越来越高、越来越尖锐。 频率是单位时间内振动的次数。 当然，另一个参数是波长。 波长和频率是描述波的最重要参数。 波之间的距离越宽，频率越低。 波长和频率的关系是成反比的，这就是为什么倒水的声音随着水位越来越满，声音会越来越柔和，音频也会越来越高，声音也会越来越尖锐。
（△图1是驻波示意图，我们可以想象声音在水瓶中形成驻波，就像吉他的琴弦产生驻波共振声一样。当水进入小瓶时，声音最大，振幅最大，琴弦最长，所以音频最低，水瓶进入最多，琴弦越短，驻波波长越短，声音越大）
粒子理论是解释光的反射和折射以及黑体辐射光量子化的最好理解的模型。 牛顿认为光是粒子的最大原因是白光的棱镜实验。 彩虹也可以用这个理论来解释。 产生折射的原因是光通过不同物质的速度不同造成的，用粒子理论人们更容易理解光的折射。
就像你在硬路上开快车，当你斜向沙地行驶时，因为一个轮子先进入沙地，所以它的速度立即减慢，而另一个轮子还在硬路上。 以原来的速度，整车的方向偏了。 同样，当光线进入水或玻璃等密度较大的介质时，光速会减慢，从而发生偏转。 但是，十八世纪以后，越来越多的实验证实，光是波的理论是无可辩驳的，尤其是光进入双缝时会出现干涉现象，进入单缝的光会出现衍射现象。 一个防御性的实验。
▲2.1.2 光的波长（Wavelength）
光是一种“电磁波”，是“电场”与“磁场”相互作用产生的一种“能量”。 时间就像水波或声波，按照一定的频率不断振动。 光波（电磁波）有振幅（Amplitude）、波长（Wavelength）和频率（Frequency）。
最重要的特点是：光波的波长与频率成反比； 频率与能量成正比； 光色的色调和明度等同于声音的频率和音量，这样理解是可行的。
• 2.1.2.1 波长单位
“波浪”基本上是能量朝某个方向运动而引起的一种现象，例如：当我们将一块石头扔进水中时，由于石头将自身的动能转化为另一种能量，该能量就会引起水面以“水波”的形式向四面八方传播； 当我们用手摇动一根绳子时，动能会因为手的抖动而转化为另一种能量，所以这种能量就会使绳子以“绳波”的形式前进。 绳索传播的方向； 同样，光波本身也是一种能量，所以它也会以“光波”的形式向一定的方向前进。
波长是波力学中使用的术语。 其单位与长度相同。 通常使用“微米（μm）”或“纳米（nm）”。 微米和纳米的关系如图2所示，两个尺度各相差10倍，毫米（mm）、微米（μm）和纳米（nm）各相差三个尺度，所以相差1000倍. 人类头发的直径（粗细）约为100μm。 换句话说，1微米相当于人类头发直径（粗细）的百分之一。
（△图2微米与纳米的关系）
• 2.1.2.2 波长的定义
波长：波长是指光波的波峰到波峰的距离。 如图3所示，光波的波长很小，通常以“微米（μm）”或“纳米（nm）”为单位，例如：红光 紫光的波长约为0.78μm（等于780nm） )，紫光的波长约为0.38μm(等于380nm)。
（△图3光波的波长与频率的关系）
▲2.1.3 光频
频率：频率是指光波在一秒钟内振动的次数，单位为“赫兹（Hz）”，如图3所示。这是为了纪念证实麦克斯韦电磁波预言的德国伟大科学家赫兹，所以波的频率单位是赫兹Hz，意思是每秒波振动的次数。
▲2.1.4 光速
光速：光波前进的速度称为“光速”，其值固定为每秒3×108米，因此无论波长和频率如何，光速都是固定的，换句话说， 1秒不同波长和频率的光波传播相同的距离，因为光波的速度（光速）是固定的。
假设一秒内两束不同波长和频率的光波传播相同的距离，如图十所示，当光波的波长较长时，它在一秒内振动两次，其频率较低（2Hz）。 如下图3所示； 当光波的波长较短时，它在1秒内振动4次，其频率较高（4Hz），如上图3所示。 时钟振动次数越少，频率越低； 光波的波长越短，1秒内振动的次数越多，频率也越高。 光波（电磁波）的波长与频率的换算公式如下：
光速固定为c=3×108m/s，代入光波的波长即可得到频率。 从公式可以看出，波长越长（分母λ越大），频率越低（ν值越小）； 波长越短（分母λ越小），频率越高（ν值越大），显然“光波的波长与频率成反比”。 振幅：振幅是指光波振动幅度的大小，它代表光的强度，如图3所示。光波的振幅与波长或频率无关。 振幅越大光的波长和频率的关系，就会显得越亮； 振幅越小，它就会显得越暗。
所以我们有一个小结论：
． 光波的波长与频率成反比； 频率与能量成正比； 波长与能量成反比。
． 光的波长越长（例如：红光），频率越低，能量也越低。
． 光的波长越短（例如：蓝光或紫光），频率越高，能量也越高。
◆2.2电磁波
▲2.2.1电磁频谱
▲2.2.2电磁频谱定义
光波与电磁波的关系如图4所示，我们称之为“电磁波谱（Spectrum）”，从图4可以看出，光波主要是指红外光（IR：Infrared）、可见光（人眼能看到的光））和紫外光（VU：Ultraviolet）其实只是所有电磁波光谱的中心部分，所以我们说：光是一种电磁波。
（△图4光波与电磁波的关系）
▲2.2.3电磁波
“不同波长的可见光”人眼呈现出“不同的颜色”。 可见光是人眼可以看到的光。 大致可分为红、橙、黄、绿、蓝、蓝、紫七个色块。 从图4可以看出，红光的波长约为0.78μm（微米），相当于3.85×1014Hz的频率，这也是1.59eV电子伏特能量的共同点（见下文注1） ; 紫光的波长约为0.38μm，相当于7.89×1014Hz的频率，也就是3.26eV的能量，所以红光的波长更长，频率更低，能量也更低； 紫光具有更短的波长、更高的频率和更高的能量。 显然光波的波长与频率成反比； 频率与能量成正比。
▲2.2.4 常见电磁波
可见光左侧的电磁波比紫光的波长更短（能量更高），其次是紫外光、X 射线和伽马射线。 这些电磁波由于频率较高（能量较高），在一定程度上对人体有害。
紫外线（UV：Ultraviolet）：比紫光波长更短（能量更高）的电磁波，通常用于杀菌、消毒或除臭。
X射线（X-ray）：一种比紫外线波长更短（能量更高）的电磁波，通常用于医院穿透人体拍X光片，或在实验室进行衍射实验以确定density of solid materials 原子的排列，即简单立方晶体、体心立方晶体、面心立方晶体、金刚石结构晶体，以及以后提到的单晶、多晶、非晶材料的晶格材料分析基础电子材料科学。
γ射线（γ-ray）：波长比X射线短（能量高）的电磁波。 它是放射性物质发出的辐射。 它的能量最高，也是最危险的。 照射后会产生“怪胎” 这种可怕的射线通常在医院里用放射疗法杀死癌细胞来治疗病人，或者在实验室里进行光谱学实验以确定材料的电子特性。
可见光右边的电磁波波长比红光长（能量较低），其次是红外光、微波和无线电波。 这些电磁波由于频率较低（能量较低），对人体的危害较小，因此常用于无线通讯产品上。
红外线（IR：Infrared）：比红光波长更长（能量更低）的电磁波，通常用于无线通信，如遥控器与无线键盘、无线鼠标等的近距离通信。
微波（MW：Microwave）：波长比红外光更长（能量更低）的电磁波，通常用于无线通讯，如：手机（GSM、GPRS、WCDMA等）、卫星通讯（GPS、DBS、 DTH 等）、数字广播（DTV、DAB 等）、无线电视和广播。
无线电波（Radio wave）：比微波波长更长（能量更低）的电磁波，通常用于无线通信，如：军队和警察使用的无线电，以及工厂用于布线或工程建设以方便使用的无线通讯对讲机。
▲2.2.5电磁波——手机电磁波
波长较长的电磁波具有较低的频率和较低的能量。 这是否意味着它们更安全？ 例如：手机使用的电磁波是“微波”，其能量甚至低于红光或红外线。 人类会因暴露在红光下而受到伤害。 是不是就像手机系统运营商宣传的那样，用手机通话也很安全？
判断电磁波是否对人体有害，必须从电磁波的“能量”和“功率”两个因素来判断。 能量的单位是“焦耳”，功率的单位是“瓦特”。 （瓦特）”，其定义是“单位时间内的能量大小”。低能量的电磁波，如果功率很大，还是会对人体造成一定的伤害。比如我们目前使用的手机微波通讯，能量虽小，但威力不小，长期使用对人体有害，可能仍有不良影响；
同理，如果能量高的电磁波的功率小，对人体的危害也不会很明显。 例如，太阳光的成分本来就含有很多紫外线g射线。 这些g射线被大气层过滤后，仍然会有极少量的g射线照射到地球表面。 换句话说，我们每天都在照射 g 射线。 能量虽大，但威力很小（大部分被大气过滤掉了），长期曝晒影响不大。 至少我没听说过有人在海边晒日光浴，最终变成了“变种人”！
▲2.2.6 电磁波–微波炉（Microwave oven）
提到“微波炉”，大多数人想到的不是手机，而是“微波炉”。 其实微波炉使用的电磁波和手机使用的电磁波在电磁波谱中都属于微波，只是频率不同而已。 由于水分子（H2O）的氢原子和氧原子之间的键合振动频率为2.4GHz（赫兹），当频率为2.4GHz的微波照射水分子时，能量会被水分子吸收，同时时间与水分子产生能量。 “共振”使水分子剧烈振动，水分子的振动会与食物的分子发生摩擦产生高热，因此可以在极短的时间内将食物加热。
使用微波炉加热有一些限制。 由于金属导电，微波会在金属中产生环状短路电流。 当积累的能量达到一定程度时，会瞬间释放空气中的水分，产生火花。 因此，金属不能在微波炉中加热。 、最好使用耐热塑料、陶瓷、玻璃等容器； 纯净水没有食物分子摩擦，加热时不会产生对流，可能会出现沸点后水不沸腾的现象，只要稍有扰动，就有可能“危险”纯净水因突然沸腾而溅出，应避免用微波炉直接加热纯净水。
频率为2.4GHz的微波很容易被水分子吸收。 在交流中使用它们时应该小心。 不要忘记人体含有大约 70% 的水。 但是，我们目前将 2.4GHz 的电磁波定义为通信中的“ISM 频率”。 Band（Industrial Scientific Medical）”，主要用于近距离无线通信，如蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（IEEE802.11）、家用数字无线电话等，但功率远低于微波炉，而且这些使用ISM频段的产品必须通过对人体无伤害的测试，所以影响没有那么严重，但是下次可以少用或者少用这些产品！
▲2.2.7 电磁波——连续谱
不同波长的可见光人眼看起来“不同”，那么可见光有多少种颜色呢？ 回答这个问题很简单，因为光的波长就是颜色。 光的波长有多少，颜色就有多少。 先问自己一个简单的数学问题，一条数轴上有多少个“实数”？
答案是：数轴上有“无限多个实数”，所以光有无限多个波长，所以有无限多种颜色，我们称之为“连续光谱（Continuous spectrum）”，如下图4所示。 红光的波长范围为0.78μm~0.60μm（微米），橙光的波长范围为0.60μm~0.58μm，黄光的波长范围为0.58μm~0.53μm，绿光的波长范围为0.53μm~0.48μm，蓝光波长范围0.48μm~0.45μm，青光波长范围0.45μm~0.43μm，紫光波长范围0.43μm~0.38μm。
也就是说，红光和橙光之间还有一种“红橙光”，红光和红橙光之间还有一种“红红橙光”，红光和红光之间还有一种“红橙光”。红橙光还有一种“红光红橙光”。 以此类推，可见光的颜色确实有无穷多种。 问题是：人眼能分辨多少种颜色？ 因为眼睛只能分辨有限数量的颜色，所以我们不需要无限多种颜色来制作显示器。
◆2.3 光到底是什么？
光确实是一个难以捉摸的东西，光的原理的每一次新发现都会使人类在科学上有一个巨大的飞跃。 牛顿的粒子论开辟了几何光学，解释了光的线性、反射、折射和色散（太阳光的白光被棱镜反射成各种颜色光的现象）。 光的本质是波的思想 随着光的干涉和衍射现象的证实，以及电磁感应现象的发现和理论证实，麦克斯韦最终证实光是电磁波。 电气时代，随着赫兹对电磁波的确认，人类进入了无线电通讯时代。
但人类永远不会停止对事物的探索，尤其是19世纪下半叶，富国强兵的欲望引发了列强对钢铁工业的争夺，于是后起之秀德国开始了钢铁工业的竞争。研究铁炉的光色来了解炉子。 温度，这就是黑体辐射的奥秘。 由于涨落理论在解释黑体辐射方面遇到障碍，无法满足铁炉温度和辐射光谱的预测。 德国科学家普朗克大胆的能量量子化假说解决了黑体辐射实验和理论。 量子力学的巧合开启了量子力学时代，人类由此进入了计算机和光信息时代。
2400 多年前，人类开始对光产生兴趣并描述了它的基本特征。 400多年来，每一次关于光的本质的争论所产生的原理和定律，都像光一样推动着人类科技的发展。 同样突飞猛进光的波长和频率的关系，波动理论无法解释黑体辐射，催生了量子力学，量子力学最终解释了光和物质的定义是它同时具有粒子和波的波粒二象性。
或许我们在现实生活中无法体会到光的这些微观原理，而光在宏观相对论和宇宙时空中也有着举足轻重的作用。 我认为人类至今还无法看到光的本质全貌，这给我们未来的“光”研究者留下了无限的空间，可以打破目前对光的原理描述，让人类重新发现新的原理，因为关于光的辩论。 我们可以用新的原理去了解万物的本质，进而探索无边无际的未知宇宙！
希望我能在有生之年看到它？
*注1中的电子伏特eV 基本题答案：电子伏特是微小能量的单位，电子伏特是电子携带的能量为e = – 1.6 * 10-19 库仑在电位增加时获得的能量一伏特，所以一电子伏特 1ev = 1e * 1V = 1.60*10-19 库仑 * 1 伏特 = 1.6*10-19 焦耳。
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