Learn about LIGHT | 光的形态，可不单单是你“看”到的样子！

对于各种各样的光，我们有着很多的表述语言，比如“红光、蓝光、黄光”、“亮光、暗光”、“太阳光、萤火虫之光、荧光灯的光”等等。

实际上，人们看到的光的不同颜色都与“波长”这个概念有关，而光的“亮度”则是与“光子”的数量相关。另外，光除了可以从太阳、发光装置（比如说电灯）发出以外，生物体也是可以进行发光的。

接下来，就让我们更进一步去看看，光到底拥有什么样的“千姿百态”吧！

Learn about LIGHT

光的形态

光的颜色和波长

将光视为波（电磁波）来看，相邻波峰之间或者相邻波谷之间的长度则为波长，而波长决定了光的颜色。

人类肉眼能感知的光被称为“可见光”，其波长范围为400~700nm之间。纳米（nm）等于10亿分之1米，它和微米（μm、100万分之1米）一样，常被用作微小长度的度量单位。但“光”这个大家族并不限于此，在我们熟悉的可见光区域以外，还包括了比可见光波长长（波的间隔长）的红外线、太赫兹波、无线电波，以及比可见光波长短的紫外线、X射线、伽马射线。

所谓电磁波，是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传播，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，能有效地传递能量和动量。光具有波粒二象性，其中电磁波就主要专注在这“波”字里面。因此，从量子力学的角度看，电磁波就是光子本身。电场（磁场）震动一个周期之间电磁波传播的距离称为波长，光（电磁波）在真空中以每秒30万km的速度传播，因此，一个周期为1014之1秒的电磁波，便是波长为3μm的红外线了。

光是一种电磁波

可见光

彩虹的七种颜色都是可见光。

可见光是波长范围大约为400nm~700nm的光，是人眼可感知的。可是光若用颜色表示的话，从400nm附近的紫色开始，到长波长的一侧分别是靛、蓝、绿、黄、橙，以及到700nm附近的红。在这些光的颜色中，人眼对波长为555nm左右的绿光感光能力最强。

在日光下，之所以植物叶子呈现出绿色，是因为叶子中所含的物质将蓝光和红光进行了吸收，只有绿光发生了反射并映入了我们的眼中。

我们是怎样看到“绿树叶”的

红外线

有热量的地方就有红外线。

红外线是波长为700nm ~ 1mm的光，覆盖范围较大，大致可分为以下几类：

近红外线：700 nm ~ 2.5 μm

中红外线：2.5 μm ~ 4 μm

远红外线：4 μm ~ 1000 μm （1 mm）

与可见光接近的近红外线对我们来讲并不陌生，视听设备或家电的遥控器、便携终端的通信装置等日常生活中常接触到的物品，都能够发现它的身影。

另外，红外线是从热源发出的（或者任何带热量的物体），比如，体温为37℃左右的人体，常常会放出波长在10μm左右的远红外线。耳内温度计或热像仪都是通过对红外辐射的探测来测定的人体体温。

电视机远程遥控器

紫外线

鸟类和昆虫可以看见紫外线。

人类的眼睛无法看见比可见光波长短的紫外线，但是鸟类和昆虫则可做到。如下方的图片，在人眼中没有显示出中心部分花瓣的模样，而昆虫就可以看到花中心颜色略深的部位。

人（上）和昆虫（下）眼中看到的同一朵花

X射线 

可以穿透各种物质的光。

加速的电子和物质发生碰撞后急剧减速，或改变了其在磁场中的运动方向，波长在0.01 nm ~10 nm的X射线就会被释放出来。另外，在原子内层轨道电子位置空缺，外层轨道电子产生跃迁时也会产生X射线。

其中，波长为0.01nm左右的X射线因具有很强的物体穿透力，常常被用于医疗影像、工厂品质检查、安检等应用中。

罐头的异物检查

用于牙科的X射线

γ射线 

可作用于物质的高能射线。

γ射线是一种在激发状态下原子核发出的高能电磁波。γ射线光子所带的能量，是可见光所带能量的1万~100万倍以上。γ射线照射到物质中会产生高速电子，并与周围的物质发生作用，这使得它可用于杀菌，以及癌症的放射性治疗中。

辐射治疗

植物与光

充分沐浴太阳的光照，植物才能茁壮地成长，所以，植物的生长是离不开光的。但就像我们对食物有偏好一样，植物也有自己“喜欢的光”，并对这些光有着特别高的敏感度，例如，青色光、红光、近红外。

植物不仅可以利用光进行光合作用进而获得能量，也可以通过感知光的颜色来对环境进行评估。它们从光的差异感知一天的昼长（昼夜调节），通过光强来感知季节的变化，从而决定自己的形态（开花、树叶变红、结果的时间等），此外，它们的味道也会随着对不同光的敏感度的变化而改变。植物与光作用的这些有趣特性，也成为了人类判断季节变化的一种参考方式。

用红光LD（激光二极管阵列）照射水稻的农作物室内培育实验

光的亮度

光波长的变化，可以让我们感知到光“颜色”的变化，除此之外光的亮度强弱也是有所不同的。那，眼睛又是怎样去感受这样的差异的呢？回答这个问题的关键，就是“光子”——光最小的形态。

人们通常会使用照度和功率密度（W/m2）等单位来表示光的亮度，但在这里，则试着以光子的数量来表示。光子是光的粒子形态，它所包含的能量是由波长决定的，因此，当光的亮度逐渐变暗时，光子的分立形态就会逐渐显现出来。

晴天时，太阳光在可见光方面的亮度功率密度在400W/m2左右，用光子的个数来表示的话，大约是1,000,000,000,000,000 光子/秒/mm2，即毎秒每mm2有1015个光子来到地面。满月时光的亮度是太阳的100万分之1左右， 0等星的亮度是满月的10万分之1左右，而萤火虫或者发光水母等生物发出的光的亮度，和月亮星星是差不多的。

生物发光

自然界中，光并不是太阳的独有物，还有很多种光是通过生物体发出的，比如像萤火虫、水母等等，而它们发光的原因往往有以下几点：

•      引诱其他生物

•      恐吓敌人

•      与同伴沟通

生物所发出的光是通过生物体内的化学作用产生。萤火虫体内有一种被称为荧光素的发光物质，与氧气发生反应后，身体会进入高能量状态，满溢而出的多余能量便以光的形式从它的身体散发了出去。

水晶果冻水母

（Aequoreavictoria）

萤火虫

虽然现在我们对光的特性和形态都能有一个清楚的了解，但是这些理论认知的建立，却经历了漫长的过程。一代代科学家在探求“光“这条道路上有着怎样的开拓和努力？在下一期的Learn about LIGHT中将为大家呈现，敬请继续关注。

主编时间

最后向大家隆重介绍本文的两位主编：

大须贺慎二（左）、高本尚宜（右）

两位都来自滨松公司中央研究所，高本先生的专业领域是光谱学、生物成像、生物分子计量；大须先生则是主攻光计测（微弱光计测）、放射性计测、数理统计领域。

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本文摘自滨松“Photon Terrace”，略有修改。

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