光: 电磁波、电磁波谱和光子

电磁辐射是能量在太空中传播的多种方式之一。燃烧的火焰所产生的热量、来自太阳的光线、医生所使用的X射线以及在微波炉中烹饪食物所使用的能量都是各种形式的电磁辐射。虽然这些能量形式看上去截然不同，但是它们所展示的波的特性使得它们彼此相关。

如果你曾去过海里游泳，那你对波已经有所了解了。简单地说，波是特定物理介质或场中的扰动，从而导致振动或振荡。海浪的上涨和之后的其实就是海浪在海面的振动或者振荡。电磁波也类似，但不同的是它们实际上是由 $2$‍个互相垂直的振荡波组成的。其中一个波是振荡的磁场M;另一个是振荡的电场（E），如下图所示：

虽说对电磁波有一个基本的了解觉会带来不少收获，但是大多数化学家对这种能量背后的物理不太感兴趣，而是对这些波如何与物质相互作用更感兴趣。更具体地说，化学家研究不同形式的电磁辐射如何与原子和分子相互作用。从这些相互作用中，化学家可以获得关于分子结构的信息，以及它所包含的化学键的类型。然而，我们有必要在谈论这个问题之前多谈谈光波的物理性质。

正如你所知，一个波有 波谷 （Trough，最低点）和 波峰 （Crest，最高点）。波峰顶端与波的中轴的垂直距离称为 振幅（Amplitude）。这个性质与波的亮度和强度相关。两个连续的波峰或者波谷之间的距离被称为波的 波长（Wavelength）。这些可以看作如下：

有一些波（包括电磁波）也在空间中振荡，因此它们在特定的位置随着时间的推移而振荡。在一个特定的位置里，每秒内通过这个点的完整波长的数量被称为波的 频率；频率的国际单位为赫兹 $(\text{Hz})$‍，等于是 “每秒” $($‍写作 ${\displaystyle \frac{1}{\text{s}}}$‍ 或者 ${\text{s}}^{-1})$‍。你大概可以看出，波长和频率成反比：也就是说，波长越短频率越高，反之亦然。这个关系可以由下面等式表示：

其中 $\lambda$‍ （希腊字母 lambda “兰木达”）是波长（以米为单位 $\text{m}$‍），$\nu$‍ （希腊字母 nu “纽”）是频率（以赫兹为单位 $\text{Hz}$‍）。它们的乘积是常数 $c$‍，光速 ，等于 $3.00\times {10}^8\text{ m/s}$‍。这个关系反映出了一个重要的事实：无论是什么波长或频率的电磁辐射，都以光速传播。

我们来看个例子来更好的说明频率和波长之间的关系。

某个电磁辐射的波的频率为 $1.5\times {10}^{14}\text{ Hz}$‍。

我们先从关联频率、波长和光速的等式开始入手。

接下来, 我们重新排列方程来求解波长。

最后, 我们可以代入已知量来求解。

我们要讨论的最后一个量是波的周期。一个波的周期是一个波长经过某个空间内定点所需要的时间。从数学的角度，周期 ($T$‍) 就是频率 ($f$‍) 的倒数：

周期的单位是秒 ($\text{s}$‍)。

现在我们已经对波的基本性质有所了解，我们来看看不同类型的电磁辐射。

可以根据电磁波不同的波长（Wavelength）/频率(Frequency)来分类和排列；这种分类方式被称为电磁频谱。下表展示了电磁频谱，它包括了在宇宙中存在的所有电磁辐射的种类。

可以看见，可见光谱(Visible spectrum）——所有肉眼看以看到的光——只占了所有辐射的一小部分。在可见光谱的右边是频率比可见光更低（因此波长更长）的能量。这些能量包括红外线（IR，热体发出的热量波）、微波（microwave）以及无线电波（radio waves）。这些类别的辐射一直都在包围着我们，并且无害，因为它们的频率太低了。正如我们将在“光子”部分中看到的那样，低频波的能量较低，因此对我们的健康没有危险。

可见光谱的左边是紫外线（UV）、X射线（X rays）和伽马射线（gamma rays）。由于它们极高的频率（因此高能量），这些辐射都对生物有害。这就是为什么我们在沙滩上要涂防晒霜（来阻挡来自太阳的紫外线），也是为什么X射线技术人员会在我们身上盖上铅罩，以防止X射线穿透除人体成像区域以外的任何部分。伽马射线是最有破坏性的，因为它具有最高的频率和能量。但幸运的是，我们的大气层吸收了来自外太空的伽马射线，从而保护我们免受伤害。

接下来，我们将讨论波的频率和能量之间的关系。

我们已经描述了光在空间中以波的形式传播。这已经在很久之前就是一件众所周知的事了；实际上，早在十七世纪末期，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯就最先描述了光的波动特性了。物理学家们在惠更斯之后的大约$200$‍年，都认定光波和物质是截然不同的东西。根据经典物理学，物质由具有质量的粒子组成，并且粒子在空间中的位置是可知的；另一方面，光波被认为是具有零质量的、并且它在空间中的位置是不可知的。科学家们并没有对光和物质之间的相互左右有着很好的了解，因为它们被当作是不同种类的东西。但是当普朗克在$1900$‍年开始研究黑体（物体加热直到开始发光）时，这一切都改变了。

普朗克发现经典物理学没法解释由黑体辐射出来的电磁波。根据经典物理学，物质可以吸收或者释放任意数量的电磁辐射。普朗克观察到物质其实吸收或者释放的能量是 $h\nu$‍ 的值的整数倍，这里 $h$‍ 是普朗克常数 $6.626\times {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍，$\nu$‍ 是被吸收或者释放的光的频率。该发现相当震惊，因为这挑战了当时认为能量是连续的并且可以以任意数量传递的观点。普朗克所发现的事实说明了能量其实不是连续的，它可以被量子化——也就是说它只能以 $h\nu$‍ 大小的“包裹”（或者粒子）来传递。每一个这种包裹被称为量子。

虽然这听起来令人困惑，但其实我们早已对量子化的系统很了解了。比如，我们每天用的钱，就是量子化的。例如，你去商店的时候，不会看到售价为 ￥1.025 的商品。这是因为货币的最小单位是分——我们不可能再找到比这再小的了。能量不能以比一个量子更小的量来传递，就像我们不能用半分钱来付款一样。我们可以将量子看成电磁能量的“一分钱”——能量传递的最小单位。

电磁辐射是量子化的发现永远改变了光只是波的形式的观念。实际上，光似乎既有波状的性质，也有类似粒子的特性。

普朗克的发现为光子的发现铺平了道路。光子是光的基本粒子或量子。我们很快就会看到，光子可以被原子和分子吸收或释放。 当光子被吸收时，其能量被转移到该原子或分子。因为能量被量子化了，光子所有的能量都被传递了（记得我们不能传递量子的一部分，因为它已经是最小的“能量包”了）。相反的过程也是如此。 当原子或分子失去能量时，它会发出一个光子，其能量与原子或分子的能量损失完全相等。 能量的这种变化与释放或吸收的的频率成正比。普朗克著名的公式描述了这个关系：

$E$‍ 是被吸收或者释的光子的能量（用焦耳表示 $\text{J}$‍），$\nu$‍ 是光子的频率 （用赫兹表示 $\text{Hz}$‍），$h$‍ 是普朗克常数 $6.626\times {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍。

某个光子的频率为 $2.0\times {10}^{24}\text{赫兹(Hz)}$‍。

首先, 我们可以应用普朗克公式。

接下来, 我们代入已知的频率，以及普朗克常数 $h$‍的值来求解。

（提示：你已经知道了波长和频率之间的关系。）

我们可以用振幅 (亮度)、波长、频率和周期来描述电磁辐射。通过方程 $E=h\nu$‍，我们看到了光波的频率是如何与其能量成正比的。在二十世纪初，能量被量子化的揭示了光不仅是一个波, 也可以被描述为被称为光子的粒子集合。光子携带的不连续的能量，称为量子。当光子被吸收时，该能量可以转移到原子和分子上。原子和分子也会通过释放光子而失去能量。