對(duì)于各種各樣的光，我們有著很多的表述語言，比如“紅光、藍(lán)光、黃光”、“亮光、暗光”、“太陽光、螢火蟲之光、熒光燈的光”等等。

實(shí)際上，人們看到的光的不同顏色都與“波長”這個(gè)概念有關(guān)，而光的“亮度”則是與“光子”的數(shù)量相關(guān)。另外，光除了可以從太陽、發(fā)光裝置（比如說電燈）發(fā)出以外，生物體也是可以進(jìn)行發(fā)光的。

接下來，就讓我們更進(jìn)一步去看看，光到底擁有什么樣的“千姿百態(tài)”吧！

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光的形態(tài)

光的顏色和波長

將光視為波（電磁波）來看，相鄰波峰之間或者相鄰波谷之間的長度則為波長，而波長決定了光的顏色。

人類肉眼能感知的光被稱為“可見光”，其波長范圍為400~700nm之間。納米（nm）等于10億分之1米，它和微米（μm、100萬分之1米）一樣，常被用作微小長度的度量單位。但“光”這個(gè)大家族并不限于此，在我們熟悉的可見光區(qū)域以外，還包括了比可見光波長長（波的間隔長）的紅外線、太赫茲波、無線電波，以及比可見光波長短的紫外線、X射線、伽馬射線。

所謂電磁波，是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳播，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面，能有效地傳遞能量和動(dòng)量。光具有波粒二象性，其中電磁波就主要專注在這“波”字里面。因此，從量子力學(xué)的角度看，電磁波就是光子本身。電場（磁場）震動(dòng)一個(gè)周期之間電磁波傳播的距離稱為波長，光（電磁波）在真空中以每秒30萬km的速度傳播，因此，一個(gè)周期為10¹⁴之1秒的電磁波，便是波長為3μm的紅外線了。

光是一種電磁波

可見光

彩虹的七種顏色都是可見光。

可見光是波長范圍大約為400nm~700nm的光，是人眼可感知的?？墒枪馊粲妙伾硎镜脑?，從400nm附近的紫色開始，到長波長的一側(cè)分別是靛、藍(lán)、綠、黃、橙，以及到700nm附近的紅。在這些光的顏色中，人眼對(duì)波長為555nm左右的綠光感光能力最強(qiáng)。

在日光下，之所以植物葉子呈現(xiàn)出綠色，是因?yàn)槿~子中所含的物質(zhì)將藍(lán)光和紅光進(jìn)行了吸收，只有綠光發(fā)生了反射并映入了我們的眼中。

我們是怎樣看到“綠樹葉”的

紅外線

有熱量的地方就有紅外線。

紅外線是波長為700nm ~ 1mm的光，覆蓋范圍較大，大致可分為以下幾類：

近紅外線：700 nm ~ 2.5 μm
中紅外線：2.5 μm ~ 4 μm
遠(yuǎn)紅外線：4 μm ~ 1000 μm （1 mm）

與可見光接近的近紅外線對(duì)我們來講并不陌生，視聽設(shè)備或家電的遙控器、便攜終端的通信裝置等日常生活中常接觸到的物品，都能夠發(fā)現(xiàn)它的身影。

另外，紅外線是從熱源發(fā)出的（或者任何帶熱量的物體），比如，體溫為37℃左右的人體，常常會(huì)放出波長在10μm左右的遠(yuǎn)紅外線。耳內(nèi)溫度計(jì)或熱像儀都是通過對(duì)紅外輻射的探測來測定的人體體溫。

電視機(jī)遠(yuǎn)程遙控器

紫外線

鳥類和昆蟲可以看見紫外線。

人類的眼睛無法看見比可見光波長短的紫外線，但是鳥類和昆蟲則可做到。如下方的圖片，在人眼中沒有顯示出中心部分花瓣的模樣，而昆蟲就可以看到花中心顏色略深的部位。

人（上）和昆蟲（下）眼中看到的同一朵花

X射線

可以穿透各種物質(zhì)的光。

加速的電子和物質(zhì)發(fā)生碰撞后急劇減速，或改變了其在磁場中的運(yùn)動(dòng)方向，波長在0.01 nm ~10 nm的X射線就會(huì)被釋放出來。另外，在原子內(nèi)層軌道電子位置空缺，外層軌道電子產(chǎn)生躍遷時(shí)也會(huì)產(chǎn)生X射線。

其中，波長為0.01nm左右的X射線因具有很強(qiáng)的物體穿透力，常常被用于醫(yī)療影像、工廠品質(zhì)檢查、安檢等應(yīng)用中。

罐頭的異物檢查

用于牙科的X射線

γ射線

可作用于物質(zhì)的高能射線。

γ射線是一種在激發(fā)狀態(tài)下原子核發(fā)出的高能電磁波。γ射線光子所帶的能量，是可見光所帶能量的1萬~100萬倍以上。γ射線照射到物質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生高速電子，并與周圍的物質(zhì)發(fā)生作用，這使得它可用于殺菌，以及癌癥的放射性治療中。

輻射治療

植物與光

充分沐浴太陽的光照，植物才能茁壯地成長，所以，植物的生長是離不開光的。但就像我們對(duì)食物有偏好一樣，植物也有自己“喜歡的光”，并對(duì)這些光有著特別高的敏感度，例如，青色光、紅光、近紅外。

植物不僅可以利用光進(jìn)行光合作用進(jìn)而獲得能量，也可以通過感知光的顏色來對(duì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。它們從光的差異感知一天的晝長（晝夜調(diào)節(jié)），通過光強(qiáng)來感知季節(jié)的變化，從而決定自己的形態(tài)（開花、樹葉變紅、結(jié)果的時(shí)間等），此外，它們的味道也會(huì)隨著對(duì)不同光的敏感度的變化而改變。植物與光作用的這些有趣特性，也成為了人類判斷季節(jié)變化的一種參考方式。

用紅光LD（激光二極管陣列）照射水稻的農(nóng)作物室內(nèi)培育實(shí)驗(yàn)

光的亮度

光波長的變化，可以讓我們感知到光“顏色”的變化，除此之外光的亮度強(qiáng)弱也是有所不同的。那，眼睛又是怎樣去感受這樣的差異的呢？回答這個(gè)問題的關(guān)鍵，就是“光子”——光最小的形態(tài)。

人們通常會(huì)使用照度和功率密度（W/m²）等單位來表示光的亮度，但在這里，則試著以光子的數(shù)量來表示。光子是光的粒子形態(tài)，它所包含的能量是由波長決定的，因此，當(dāng)光的亮度逐漸變暗時(shí)，光子的分立形態(tài)就會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來。

晴天時(shí)，太陽光在可見光方面的亮度功率密度在400W/m²左右，用光子的個(gè)數(shù)來表示的話，大約是1,000,000,000,000,000 光子/秒/mm²，即毎秒每mm²有10¹⁵個(gè)光子來到地面。滿月時(shí)光的亮度是太陽的100萬分之1左右， 0等星的亮度是滿月的10萬分之1左右，而螢火蟲或者發(fā)光水母等生物發(fā)出的光的亮度，和月亮星星是差不多的。

生物發(fā)光

自然界中，光并不是太陽的獨(dú)有物，還有很多種光是通過生物體發(fā)出的，比如像螢火蟲、水母等等，而它們發(fā)光的原因往往有以下幾點(diǎn)：

· 引誘其他生物

· 恐嚇敵人

· 與同伴溝通

生物所發(fā)出的光是通過生物體內(nèi)的化學(xué)作用產(chǎn)生。螢火蟲體內(nèi)有一種被稱為熒光素的發(fā)光物質(zhì)，與氧氣發(fā)生反應(yīng)后，身體會(huì)進(jìn)入高能量狀態(tài)，滿溢而出的多余能量便以光的形式從它的身體散發(fā)了出去。

水晶果凍水母

（Aequoreavictoria）

螢火蟲

雖然現(xiàn)在我們對(duì)光的特性和形態(tài)都能有一個(gè)清楚的了解，但是這些理論認(rèn)知的建立，卻經(jīng)歷了漫長的過程。一代代科學(xué)家在探求“光“這條道路上有著怎樣的開拓和努力？

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光的顏色和波長

光的亮度