剖析光学现象 光的不同原理 光綫 、光科技、光波 、光子、量子力学 ｜STEM教室
2024-08-14 14:00 
光与我们的生活息息相关，我们之所以能够看到东西，正正是因为光綫照进我们的眼睛，到达视网膜，然后通过视神经把讯息传到大脑，从而形成影像。可是，要全面剖析光并不容易。我们不能徒手捕捉光，而光行走的速度又十分快（光速高达每秒三十万公里），再加上不少光学现象令光綫的方向出现不同变化，因此要成为「追光者」，我们首先须要学习光的不同原理。
光綫——反射与折射
大家初接触光学时，相信最先认识到的一些特性必定包括反射与折射。当光綫由一个物料走到另一个物料，基本上有三种情况会发生： 第一、物料吸收了光的一部分能量； 第二、 较透明的物料能够让光綫穿过，但其速度和方向都有机会改变，这就是折射； 第三、较不透明的物料会挡着光綫前进，光因而反弹回来，这就是反射。
光科技——光纤传输
从司乃耳定律，我们发现当光由低折射率的物料（光疏介质）走到高折射率（光密介质）的物料时，会向内折射，反之亦然。值得留意的是，由光密介质走至光疏介质时，由于光会向外折射，因此当入射角提升到某一个数值时，折射角会形成直角，亦即光会在界面上水平折射，我们会形容此入射角为临界角。当入射角大于临界角时，折射就不能发生，取而代之的是全内反射，亦即全部光綫都会反射回原来的介质之内。我们藉着这个现象研发出不少科技。
被誉为「光纤之父」的高锟，利用光作通讯之用，光在调变后就能「携带」资讯，之后把光綫射进细长的光导纤维中，就能把讯息传到纤维的另一端。光导纤维其实有两层，内层为光密介质，折射率极高，而外层则为光疏介质，当光射进内层后，就会因全内反射而难以从纤维的侧面溢出，因此能有效减少讯息的传输损失，能作长途传输的媒介。
光的三种诠释方法
上文提到光的一些反射和折射的特性，其实关于光的现象还有不少，不过单纯把光当作光綫来看或会较难理解。一般而言，我们可从以下三个角度来分析光 的特性：
光綫（几何光学／射綫光学）
光波（物理光学／波动光学）
光子（现代光学／粒子光学）
我们刚才就利用光綫来理解反射和折射，接下来就从另外两个角度看看更多光的有趣现象。
光波——认识绕射与干涉
绕射与干涉， 是「波」的重要特性，例如水波穿过狭窄的通道后会呈现圆形波幅（见图四），又或是正对着门口说话但门后旁边的人也能听到，这都是绕射的效果；而数个波的互动会产生不同类型的干涉。
恰巧的是，光也能产生这现象，因此我们知道光不只是以光束存在，还会以波的形式出现。假如我们把一个光源照到一个由小刀在一块纸板上刻出的一条直缝中，并在后面放上荧幕观看光的影像，会发现这影像并不只是一条与该直缝一样的光纹，而在此条纹的两旁都有一些对称但较暗的光纹，这正是绕射的效果。
物理学家汤马斯．杨的双缝实验，我们能看到更多光暗相间的条纹，这是因为光波通过两道狭缝后出现两个光波，它们相互叠加（建设性干涉）或抵销（破坏性干涉）而成。
绕射现象干扰观星
在日常生活中，我们经常看到光的绕射现象。从上述实验，我们知道当光照到一些细小的物件，光的路径就会出现变化；而不同波长的光（亦即不同颜色）的绕射程度都有不同。例如CD的表面其实充满不少狭小的凹坑，当白光射到这些坑时，不同颜色的光会产生各种绕射，所以CD的表面会反射着彩虹色彩，同样的原理亦解释了在云雾里看到的彩虹光环。
然而，绕射有时会影响我们观察物件。以天文观测为例，当星光射进望远镜，穿过圆形的透镜时会产生一种名为艾里斑的图案——由原本一个光点变成一个置中的明亮圆斑，加上外围光暗相间的环状条纹。当一张照片中有很多星体时，这些环状条纹会造成干扰，影响我们分辨近距离的星。
光子——走到量子世界
光究竟是波还是粒子，在过去数百年来一直众说纷纭，尤其在十七至十八世纪时，光微粒说与光波动说都各有支持说法。不过，自从杨氏双缝实验以来，人们开始偏向同意光是以波反应的形式存在，因为只有波才能有绕射和干涉的现象。后来，英国物理学家麦克斯韦在研究电、磁、光时，写下麦克斯韦方程组，并预言光是一种电磁波。
电磁理论有所欠缺
这个电磁理论在当时看似有效概括光的所有原理，但后来不同科学家又尝试了其他实验，其结果却不能由此理论解释。在一些光化学实验中，人们发现要令反应得以进行，并不能像经典电磁理论般提升辐照度（类近于光的亮度）就足够，而是要增加光波的频率到某一个数值才可以；亦即假如光的频率不到此数值，即使大幅提升辐照度亦不能产生光化学反应。其他一些如黑体辐射的研究亦发现，把光当作波去理解就不能解释有关现象。
爱因斯坦的光电效应
这个谜团来到爱因斯坦的手上终于得以解决。1905年，他分别在物理学的四个不同领域各发表了一篇论文：一篇关于布朗运动（微小粒子在流体中的不规则运动）；一篇有关质量和能量的关系（提出了十分著名的公式E=mc2）；一篇关于狭义相对论。这些论文皆对后来的研究影响深远，然而令爱因斯坦获得诺贝尔奖的成就，却是在同年发表有关光电效应的文章。
光电效应是指当光照在某些物料时，激发物料中的电子（或称光电子）的释出，从而产生电流。爱因斯坦指出，光电子能否释出是取决于光的频率，而不是辐照度；光的频率定义了光作为量子的能量，亦即光的能量并非如一般电磁理论所言是均匀分布于光波上，而是离散在各光子中。他与普朗克、康普顿等人的研究，提出光的能量和动量都是量子化的。
补充资料
量子力学 用途广泛
光电效应的发现对日后粒子的研究带来很大的影响。
第一、爱因斯坦证明了光同时能以波或粒子的形式存在，这又被称为 「波粒二象性」，后来人们发现其他微细的粒子，如电子等，都同时有波与粒子的特性。
第二、这亦推动了量子力学的发展。既然所有粒子都如光一样具「波粒二象性」，那么其能量也必是量子化的。因此，要激发一个原子由一个能量层到下一个能量层，必定需要特定大小的能量输入。
量子力学的应用十分广泛，荧光、雷射、半导体、磁力共振等，都与量子原理息息相关。
文：刘心、星岛中学学生报《S-FILE》编辑部；图：星岛图片库、网上图片、维基百科
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