光度單位

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引言

我們周圍的一切之所以可見，僅僅是因為光的緣故。在沒有光線的黑暗中，我們的身體將毫無用處。陽光也作為一種可再生能源，可以透過太陽能電池發電。

但是，主要的問題，也是許多物理學家爭論的問題是——“光是由什麼構成的？或者它的本質是什麼？”許多科學家提出了各種理論來解釋光的本質，但都失敗了。然而，最終，量子理論被提出，它克服了先前理論的不足。讓我們更詳細地討論一下。

什麼是光？

許多物理學家提出了各種理論來描述光的本質。讓我們逐一討論它們 -

微粒理論

微粒理論是由艾薩克·牛頓爵士提出的。牛頓提出，光是由稱為微粒的極小的粒子構成的。當光傳播時，這些微小的粒子以非常高的速度運動。根據微粒理論，光速隨介質密度的變化而變化。牛頓認為，光的顏色取決於單個微粒的大小。

然而，牛頓的微粒理論面臨一些嚴重的缺點。它無法解釋光的干涉、衍射和偏振現象。此外，牛頓在他的理論中提到，微粒的速度隨著光源溫度的升高而增加，但沒有發現此類結果。

惠更斯理論

惠更斯提出，光波既是機械波又是橫波。

惠更斯假設整個空間都充滿了一種低密度、均勻且各向同性的物質，稱為以太，它充當光波傳播的介質。惠更斯理論解釋了干涉和衍射，但未能解釋康普頓效應和光電效應等現象。後來，人們發現並不存在所謂的以太。

麥克斯韋電磁理論

根據麥克斯韋的理論，光是由電場和磁場組成的傳播橫波。電場和磁場相互垂直振盪，這兩個平面都垂直於光傳播的平面。麥克斯韋的電磁理論在解釋黑體輻射時遇到了嚴重的缺陷。

普朗克的量子理論（正確的理論）

普朗克的量子理論是對麥克斯韋電磁理論的改進版本。普朗克提出，光是由稱為量子或光子的非常小的離散能量粒子構成的。這些量子或光子以特定頻率（例如ν）的波的形式傳播。每個量子的能量由下式給出：

$$E = hν$$

其中 - **h** 是普朗克常數，ν是頻率。麥克斯韋的電磁理論認為，物體吸收或光源發射的能量是連續的。然而，普朗克認為吸收和發射是不連續的（以能量包的形式）。量子理論能夠解釋黑體輻射、光電效應和康普頓效應。普朗克的理論能夠對這些現象給出正確的解釋。

在討論了這麼多理論之後，我們最終可以給出光的正確定義：光是可以被人眼感知的電磁輻射。這種光也稱為可見光 (400 nm < λ < 700 nm)。

光的性質

下面討論光的性質：

• **傳播介質：**光不需要任何介質就能傳播。它沿直線傳播。

• **已知最快速度：**光速為 $\mathrm{c = 3 \times 10^8 \: m/s}$。沒有任何物體能夠比光速更快，即光速是物體能夠達到的最大速度。

• **向量加法定律的不可行性：**向量加法定律不適用於光速。有人可能會認為，我們可以透過向量加法的方法超越光速。然而，合速度將始終等於 $\mathrm{3 \times 10^8 \: m/s}$。

• **反射特性：**當光線照射到反射表面時，會遵守反射定律發生反射。

• **折射特性：**光線在從一種介質傳播到另一種介質時會發生彎曲。它也遵循斯涅耳定律。

• **色散特性：**一束光透過由玻璃製成的三角形稜鏡時，會分解成其組成的彩色波長。這種現象稱為色散。

圖1.光的色散。

• **偏振特性** - 太陽光線中電場向量連續地在垂直於光傳播方向的所有方向上振動。如果這束光透過偏振器，我們只能在一個平面上維持這些電場振動。這個過程稱為光的偏振。

圖2.光的偏振。

• **衍射特性** - 光繞過拐角或透過狹縫（前提是狹縫尺寸 ≥ 光的波長）彎曲，使得光傳播到陰影區域並照亮它。這種現象稱為衍射。

光度單位

光不是可以測量的物理量。但是，它的一些引數是可以測量的，這些引數可以告訴我們光的性質。讓我們討論一下：

• **坎德拉 (cd)：**坎德拉是發光強度的SI單位。發光強度是光源每單位立體角發射的發光功率的測量值。

• **流明 (lm)：**它是光通量的SI單位。光通量是光源發射光的速率。一個坎德拉持有總共12.57流明的光通量。

• **勒克斯 (lx)：**它是照度的SI單位。照度是每單位面積通量的測量值。一個勒克斯等於每平方米一流明。

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

屬性	單位
發光強度	坎德拉 (cd)
光通量	流明 (lm)
照度	勒克斯 (lx)

結論

光是一種電磁波，同時具有波動性和粒子性。光的量子理論是由馬克斯·普朗克提出的。光速是物體能夠達到的最大速度。反射、折射、衍射和偏振是與光相關的現象。坎德拉、流明和勒克斯是用於測量與光相關的屬性的一些單位。

常見問題

Q1. 虹的形成涉及什麼現象？

A1. 光的全內反射。

Q2. 光子的靜止質量是多少？

A2. 零。

Q3. 什麼是光年？

A3. 光一年內傳播的距離稱為光年。

$$1\:光年 = 5.88\:萬億\:英里$$

Q4. 什麼是快子？

A4. 快子是一種假設的粒子，其速度快於光速。然而，在實驗中沒有發現這種粒子（儘管科學家預測它的存在）。

Q5. 解釋陰影的形成。

A5. 光線照射到人體上並被反射，在其後面留下一個黑暗的陰影（取決於物體的形狀）。