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光是電磁波

       一提到光，人們會(huì)立刻聯(lián)想到太陽(yáng)光和電燈光。光是一種電磁波，太陽(yáng)光和電燈光可以看作是波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的電磁波的混合體。與此相反，光纖通信使用的激光器發(fā)出的光則是單色光，具有極窄的光譜寬度。點(diǎn)光源是只有幾何位置而沒(méi)有大小的光源。在自然界，理想的點(diǎn)光源是不存在的，但是對(duì)于均勻發(fā)光的小球體，如果它本身的大小和它到觀察點(diǎn)的距離相比小得多，我們就可以近似地把它看作點(diǎn)光源。激光器發(fā)出的光也可以看作是點(diǎn)光源。光線是光向前傳播的一條類似幾何線的直線。有一定關(guān)系的一些光線的集合叫光束。

       光具有兩種特性，即波動(dòng)性和粒子性，下面分別加以介紹。

光的波動(dòng)性——麥克斯韋預(yù)言存在電磁波

       麥克斯韋電磁學(xué)論文《論法拉第力線》的誕生過(guò)程。

       英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（JamesClerkMaxwell，1831—1879年）的電學(xué)研究始于1854年，當(dāng)時(shí)他剛從劍橋大學(xué)畢業(yè)不過(guò)幾星期，讀到了法拉第的《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》，立即被書中新穎的實(shí)驗(yàn)和見(jiàn)解吸引住了。當(dāng)時(shí)人們對(duì)法拉第的觀點(diǎn)和理論看法不一，有不少非議。原因之一就是法拉第理論的嚴(yán)謹(jǐn)性還不夠，法拉第是實(shí)驗(yàn)大師，有著常人所不及之處，唯獨(dú)欠缺數(shù)學(xué)功力，所以他的學(xué)術(shù)創(chuàng)見(jiàn)都是以直觀形式來(lái)表達(dá)的。一般的物理學(xué)家恪守牛頓的物理學(xué)理論，對(duì)法拉第的學(xué)說(shuō)感到不可思議。在劍橋大學(xué)的學(xué)者中，這種分歧也相當(dāng)明顯。湯姆遜也是劍橋大學(xué)里一名很有見(jiàn)識(shí)的學(xué)者之一，麥克斯韋對(duì)他敬佩不已，麥克斯韋特意給湯姆遜寫信，向他求教有關(guān)電學(xué)的知識(shí)。湯姆遜比麥克斯韋大7歲，對(duì)麥克斯韋從事電學(xué)研究給予過(guò)極大的幫助。在湯姆遜的指導(dǎo)下，麥克斯韋得到啟示，相信法拉第的新論中有著不為人所了解的真理。他認(rèn)真地研究了法拉第的著作后，感受到力線思想的寶貴價(jià)值，也看到法拉第在定性表述上的弱點(diǎn)。于是這個(gè)剛剛畢業(yè)的青年科學(xué)家抱著給法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，決心把法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來(lái)。

       1855年麥克斯韋發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁學(xué)的論文《論法拉第力線》。7年后，年僅31歲的麥克斯韋就從理論上科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在。1873年出版的《論電和磁》，把電磁場(chǎng)理論用簡(jiǎn)潔、對(duì)稱、完美的數(shù)學(xué)形式表示出來(lái)，這些數(shù)學(xué)表達(dá)式經(jīng)赫茲整理和改寫，成為經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的主要基礎(chǔ)——麥克斯韋方程組。因此，《論電和磁》被稱為繼牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》之后的一部極為重要的物理學(xué)經(jīng)典。

       1864年，麥克斯韋（Maxwell）通過(guò)理論研究指出，和無(wú)線電波、X射線一樣，光是一種電磁波，光學(xué)現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是一種電磁現(xiàn)象，光波就是一種頻率很高的電磁波，光波是電磁波譜的一個(gè)組成部分，如圖2.1.1所示。

圖2.1.1電磁波頻率與波長(zhǎng)的換算

       英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋完成了19世紀(jì)最美妙的科學(xué)發(fā)現(xiàn)——電磁場(chǎng)理論，并預(yù)言了電磁波的存在，他的理論預(yù)言得到了赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。人類的無(wú)線電技術(shù)，就是在電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

       利用它的波動(dòng)性可解釋光的反射、折射、衍射、干涉和衰減等特性。單頻光稱為單色光，在均勻介質(zhì)中，可用麥克斯韋波動(dòng)方程的弱導(dǎo)近似形式描述，即