第一部分:什么是光

介绍:

选择灯光可能是海水之路上最重要的决定。无论是对灯具的一次性投资还是日后的电费,数目都是很可观的。水族箱内依靠光合作用生活的生物,光是生命之源。通过与一些鱼友交流以及在各种论坛中浏览,我发现了很多关于光的误解。有些光线和颜色是非常重要的,加深对它们的理解是非常重要的。这一系列文章的目的是为初级和中级鱼友广泛介绍相关知识和概念,教会大家如何理解相关讨论和数据。每一篇文章都会介绍一个相对复杂的专题,尤其是与水族相关的知识。

光是一种能量,为了理解它,我们从一张电磁波频谱图开始(图1)。这张图按照辐射能量将电磁辐射进行分组。可见光是人类眼睛能够捕捉到的,并形成影像的电磁波频谱中的一部分。

 

图1:电磁波频谱

电磁波辐射可以用三个相关的概念去理解和描述,分别为波长、频率和能量。因为可见光是电磁波的一部分,因此也可以用这三个术语理解和描述,所以,这三个术语对于理解光是十分重要的。

1)波长

简单的说,光是以波动的形式传播的。典型的波动,就像水波纹都有波峰和波谷。两个相邻的波峰或波谷之间的距离为波长,用希腊字母 λ (lambda)表示。因为波长是长度,其单位也为长度单位(米)。可见光的波长非常小,所以我们用纳米nanometers (nm)作为其单位。1 nm = 10-9 meters。可见光的波长范围是400-700nm。巧合的是,这个波长范围与光合作用所需的波长范围相同。400-700nm之间所有光波的组合在人眼看来是白光。400 nm波长的电磁辐射是紫色的光,700nm 波长的电磁辐射是红色的光。彩虹中的各种颜色(ROYGBV – 红、橙、黄、绿、蓝、紫)是根据波长降幂排列的。大致上,我们可以根据颜色将波长进行如下的分类。

波长小于400纳米的电磁辐射为紫外线(UV)。紫外线分三个段,UV-A (400-315nm), UV-B (315-280nm) 和 UV-C (280-100nm)。紫外线辐射是人眼不可见的,但是对人体有伤害,对珊瑚也一样。UV-A段在太阳光中很常见,与可见光波几乎重叠。UV-B是太阳光中最具破坏力的一部分,可以穿透大气,对生物组织造成伤害。太阳光中的UV-C 段紫外线对生物的破坏能力更强,但由于被大气吸收,几乎不能直接照射到地球表面。

红外线Infrared (IR)的波长比可见光稍长。红外线同样也分三段,IR-A (780-1400 nm), IR-B (1400-3000 nm) 和 IR-C (3000-10600 nm)。红外线辐射是由热量发出的,也会让人感觉到热量。

2)频率

单位时间内通过某点的光波数量为该光的频率。频率是以时间为基础的单位,包含“每秒”,被命名为赫兹Hertz (Hz),1 Hz=1个波/秒,50赫兹意味着每秒50个波。

 

从上图中我们可以看到,频率与波长是相关联的。如果我们在波形中任意选择两点,作为起点和终点,计算中间波的数量,显而易见,如果波长越短,包含的波就越多。波越多,标志着频率越高。因此,波长和频率成反比:波长越短,频率越高。

因为所有的波以相同速度传波,光速,波长与频率之间的关系遵循下面的公式:

波长=光速/频率

一般的书籍中都会用这个公式表述

λ = c/ν

其中:

λ = 波长
ν =
频率
c =
光速

光的速度是接近每秒30万千米。为了更加精确,我们所定义的光速是光在真空中传播的速度。现实中,光在不同介质中传播会改变速度。光在玻璃中传播的速度比在空气中慢得多,但无论是玻璃还是空气中,其传播速度都比在真空中慢。

如果我们观察彩虹,从蓝色到红色,就可以理解蓝光(400nm波长)频率高于波长700nm的红光,其它波长的可见光介于两者之间。实际上,蓝光的频率比红光大约快57%(400/700 × 100 = 57.14%)

3)能量

光是能量的一种形式。根据量子论,所有的能量都以量子或光子的形式存在和传输。因此,能量最小的辐射应该只存在一个光子。

如果把光子想象成一个带着能量的小球,理解起来会非常容易,尤其是对于水族光照。让我们说的简单些,光是相互不关联的光子沿波动方向传播。可见光是不同波长的光子混合体。光子被各种表面所吸收和反射,当它们被反射到人眼内,形成了带有颜色和亮度的图像。这些光子也能直接被植物和珊瑚吸收进行光合作用。光子的能量被用于光合作用,将二氧化碳转换成糖,这也是珊瑚体内虫黄藻能量的来源。

电磁辐射的能量存在于光子,以波的形式传播。根据量子论,能量随着光子的频率发生变化。

Energy = Plank's constant × Frequency
E = hν = hc/λ
Where h = Plank's constant is 6.626 × 10-34 joules per second

能量的单位是焦耳。

随着辐射频率的增强 (波长的缩短),每个光子的能量都在增加。现在我们可以理解为什么随着深度的增加,红色光会更快快被水吸收了。

这个基本的等式告诉我们波长、频率和能量及光子之间的关系

例如:一个波长为500纳米的光子的能量是多少?

E = 6.626 × 10-34 × 3.0 × 108/(500 × 10-9)
E = 0.039756 × 10-17 J

例如:波长为500纳米的光,每焦耳有多少光子?

E = Energy/photon, so to create 1 J of energy we will need N photons.
N × E = 1 joule, hence N = 1/E
N = λ/hc = 25.15 × 1017 photons

上面的公式表明,500纳米波长的光为了形成1焦耳的能量,需要极大数量的光子。为了避免用这么大的数字运算,我们可以引入摩尔(mole)的概念。1 mole = Avagadro's number = 6.02 × 1023.。那么25.15 × 1017 个光子等于0 .000004177摩尔。这样表示,数字还是太小,所以使用微摩尔表示,1micromole=10-6 mole, 25.15 × 1017 =4.177 微摩尔光子。

那么瓦特是怎么回事?能量用焦耳计算,瓦特是功率的单位。功率是能量的循环率。1瓦=1焦耳/秒。因此,1瓦的500纳米光线需要25.15 × 1017 个光子每秒,或4.1769微摩尔光子每秒。下图显示了瓦特与各种波长微摩尔光子之间的关系。

 

总结

本文提出了一些理解光学的最基本术语。光是能量的一种形式,可以被简单的理解为以波动形式传播的光子流。光子是具有能量的粒子。光和光子的特性可以归结为这三个术语:波长、频率和能量。它们之间有数学逻辑关系。400纳米波长的光子比其他颜色的光能量更多,呈紫色,700纳米波长的光能量更低,呈红色。白光是400-700纳米波长范围内各种光子的综合效果。这个范围是可见光范围,也是光合作用的光线范围。光子本身携带能量,其数量单位一般是微摩。

第二部分我们要讨论光源如何产生光子,产生的光子如何分布,及光谱如何分布。