光与物质的相互作用

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天空为什么是蓝色的？花儿为什么是红色的？高中学生提出这样的问题已绝非少数．回答类似的问题，只凭“吸收”“反射”两词来解释，并不能使某些学生感到满意，他们更想知道光与物质相互作用的内部机制，即光与物质是如何作用的．
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, O# L3 X6 b* H5 L7 x我们须首先谈谈光是什么．用微观尺度去考察光的本质，光具有波动性和粒子性，光的这种波动和粒子的双重性质反映给人们的检验尺度同样是明显的．虽然电子也具有波动性和粒子性，但其波动性反映的尺度要远比粒子性反映的尺度小得多，以至在人们没有发现电子衍射图样之前是不相信电子这一实物也具有波动性的．

" q% K* [  h( k9 j/ P4 C; y0 k可见光的波长范围在4000～7000之间，其长波部分是接近红颜色的，即低频部分；而短波部分是接近紫颜色的，即高频部分．我们看到的红色就是接近于红颜色那部分的低频光；而蓝色就是接近于紫颜色那部分的高频光．红色的物体看上去之所以是红色的，是因为红色物体将照到它上面的红色成份的光反射了出来，使我们能够看到它．那么物体对光的这种反射作用是否就像乒乓球碰到墙壁上被反弹回来一样简单呢？了解了物质的微观机制后，我们会清楚，并不是那么简单．
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无论是气体、固体还是液体，当我们将其分割到原子尺度时，我们必须用近代物理理论即量子理论去分析物质发生的物理事件．量子理论告诉我们：组成物质的原子是处于一系列不连续的能量状态．通常情况，原子处于基态，即最低能量状态，而各能量状态的取值又取决于组成原子的核外电子的分布．当这些电子受到某种光的扰动时，可使原子从某一能量状态变化到另一能量状态，即从某一能级变化到另一能级．我们看到不同物体具有不同的颜色，是与这些电子在日光或人工光影响下做出的一系列变化有密切关联的．

& q9 g: o4 n( Y1 ]* |2 t# r" `) A; x: f- [由量子理论我们知道，光传播或与物质相互作用时，采取波包形式，也叫光子，每一频率的光对应的光子的能量为h．组成物质的原子处于一系列不连续的能量状态中（即能级），在通常情况下，它们处于于最低能级，叫基态．当各种频率的光照射到物体上时，原子中的电子就从基态跃迁到激发态．如果某种频率的光子的能量h恰好等于原子的两个能级的能量差时，这一光子将被吸收、使原子从低能级跃迁到高级能，原子处于激发态：当电子重新回到低能级即基态时，就向外辐射光子，辐射出来的光子决定了我们看到的物体的颜色．

8 w2 Q! }# c. g; V4 j; j6 ]多数物体不能将投射到其上的光全部反射出来，我们看到的只是其中部分反射回来的光．当然，也有一些入射光以较低频率的光再发射出来，比如我们看到有些物体会发出荧光，就是这个道理．

& k- U( d+ I0 R现在我们以红色为例谈谈物体的红色．组成物质的分子或原子具有不同的能量状态（我们也叫能级）E1、E2、E3…En，当其中两能级间的能量差△E刚好等于入射白光中的红光光子的能量h时，红光光子将被原子吸收，使原子从某一低能级En变化到某一较高能级En’；经过一短暂时间后，原子又从较高能级En’回到原子低能级En，并将能量差△E以红光光子的形式重新发射出来，于是我们看到的就是再发射出来的红光光子．但它是经过一系列变化后重新产生的，而不是像乒乓球碰到墙壁上反弹回来那么简单，这就是我们所说的光的反射．

那么，白光中其它颜色的光为什么没有被再反射出来呢？
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因为组成物质的原子的能级差并不完全对应着各种颜色的光子的能量，因此，它们不可能都产生以上的变化，如果我们将上述光子和原子发生的现象叫共振的话，那么没有发生以上现象的光子和原子就属于非共振．发生共振的光子被重新发射出来；发生非共振的光子在与原子作用时，我们可以比拟成因摩擦或碰撞因素被损失掉了，转化成了其它形式的能量．对固体或液体来说，这部分能量转化为热运动能量．

" n9 v. {5 C7 k/ K# d1 r7 k, W我们把原子处于不同的能量差比拟成对应的各种频率ω0，而把照射到物体上的光比拟成驱动力频率ω，当ω=ω0时，才发生共振．当光子与原子发生共振时，原子就从较低能级变化到较高能级，在重新回到较低能级时，就将这种光子重新发射出来．

因此我们说，红色物体的原子与白光中的红光发生了共振，红光能重新发射出来．而红色物体对其它色光是非共振的，光子继续向物体内部传播．因各种阻碍因素使光子的能量转化为热运动的能量．但也有少数的其它色光有很小的机会被反射出来．

+ i- y% `5 D" \玻璃和水的原子所对应的能级差对白光来说都属于非共振的，且差别较大，故它们对白光不吸收，白光能直接穿透过去，因碰撞损失的能量也较少，因此，它们对白光是透明的．但在表面也有光子有机会被反射，由于这个反射使我们看到了物体的轮廓，玻璃和水越纯反射机会越小，我们感觉它们的存在也越差．
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& S- V4 l3 b! ?4 n2 F# D& o* `天空中的蓝色又是怎样形成的呢？

天空的大气由多种气体组成，稀薄气体中的孤立原子（或分子）与光子作用时所发生的现象与固体、液体与光子作用时不一样．对绝大多数气体分子来说，例如O2、H2、CO2、H2O等，它们都具有与光子对应的红外区和紫外区的共振，但对可见光不发生共振．加之气体很稀薄，故对可见光来说，气体是透明的，我们的眼睛甚至感觉不到它的存在．但对红外区和紫外区的光来说就能发生共振，其中紫外区的共振机制决定于原子中的电子振荡，而红外区的共振机制决定于相当于原子核质量的电荷振荡．由此因素，原子对红外区共振的振幅较小，对紫外区共振的振幅较大．按电动力学原理：再辐射的强度正比于频率的4次方、振
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/ j' F8 m7 H7 t% }" K光）因频率高、振幅大，散射强度也大，故天空中的大气对入射的白光散射的主要是高频部分的蓝色成分的光，所以天空呈蓝色，这种散射也叫“瑞利散射”．
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黑颜色物质的原子在受光照时，对白光既不属于完全的共振，也不属于完全的非共振；否则，前者看起来应是白色的，后者如果同时因碰撞损失的能量也很少，那么看起来就如同玻璃或水一样，是透明的．黑色物体对白光中的各色光都有作用，但又并不简单地再发射出光子，而是通过各种碰撞运动将光的能量转化为热运动能量，因此物体看上去是黑色的，但由于其表面总有部分光被反射回来，所以我们仍能看到物体的轮廓．