光照射在物體上為什麼會產生熱量?

2020-11-22 老粥科普

光子是粒子

我們知道,陽光是由無數個光子組成的,從量子物理的角度,光子是規範波色子。經典電磁理論認為光子的靜止質量「嚴格為0」,並且不帶電。

但2003年由華中科技大學羅俊院士率領的一個科研團隊經過精確測量後認為光子是有靜止質量的,它的靜止質量小於1.2×10^(-51)g,這一實驗結果已被國際粒子物理數據組(PDG)收錄。如果羅俊院士團隊的成果得到證實,就意味著經典電磁理論中光子靜止質量「嚴格為0」將根本性地改寫,同時也意味著在真空中的光速可能並不唯一,光的頻率波長不同,速度也會不同;光子不僅會水平振動它還將垂直振動,光的偏振態從現在的2變成3;電荷將不守恆;麥克斯韋方程組要修改;黑體輻射公式要修改;電動力學的規範不變性將修改;電磁力變成了非長程力......一個更加嚴重的後果是,目前最成功的量子電動力學將變得無效!羅院士儼然成了闖進物理學「天宮」的孫大聖。

事實上並不存在靜止的光子,它動起來很快,在真空中光子的運動速度是每秒約30萬千米,運動的光子具有質量、動量和能量。

光並不是東一個西一個向前運動的獨立的粒子,實際上光是相互疊加在一起的能量,所以光子又被稱為「光的能量子」,或者「能量子」。每一個能量子同時又是波,它有波粒二象性。

光子是波

宇宙中任何溫度高於絕對零度(-273.15℃)的物體都會向外輻射能量,這個輻射出來的能量就是光。事實上到目前為止人類還沒有發現宇宙中存在溫度小於等於-273.15℃的物體,也就是說宇宙中的一切物體都發光。

光是能量輻射,是粒子,也是波。

我們在前一節中介紹了,光是由無數個「光的能量子」相互疊加構成的。這些能量子有波的特性,一束陽光中同時有許多γ射線波、X射線波、紫色外線、可見光、紅外線、微波和長波,這些光波各有自己的波長和頻率。而我們人眼所能看到的光波只限于波長為380~780nm、頻率範圍大約為4.2×10^14~7.8×10^14Hz區間所有光。

當光照射到我們時會發生什麼?

陽光在照射到我們臉上之前,它會被地球的大氣層吸收掉相當多的光子。絕大多數的伽馬射線和X射線被大氣層吸收,地球大氣的臭氧層又吸收了波長在306.3nm以下的紫外線,為我們人類提供了非常好的保護。

能夠順利穿過大氣層到達地面的,除了波長在306.3-380nm的紫外線、380~780nm的可見光和一部分紅外線外,其它大部分都被吸收和反射掉了。

那些沒有被大氣吸收的光照在我們的臉上,其中一部分光會被反射。我們周圍絕大多數的物體都會反射可見光,否則它們會是全黑的,我們就看不見它們。我們照鏡子看見自己,那是光從臉上反射到鏡子,再從鏡子反射到我們眼睛裡所產生的圖像。

沒有被反射回來的光,它的光量子會激發我們皮膚表層的電子,使原子獲得能量。原子因為能量的增加振動頻率加快,從而產生熱能,於是我們會感覺溫暖。如果陽光更強烈一些,我們會覺得很熱,因為陽光中大部分的紅外光沒有被大氣吸收,它們照射在身上會產生熱效應,皮膚為了散熱會分泌汗液,通過汗液的蒸發將熱量帶走。

普通的照明燈光中紅外光的光譜比較少,所以在燈光下我們通常不會覺得很熱,但如果你用手觸摸燈罩,還是會感覺到溫度上升,這基本是各種波長光加熱的結果。

人體也會通過輻射遠紅外線的方式向外發光,只不過我們肉眼看不見這種波長的光,當我們用手靠近皮膚時,會感覺到遠紅外線輻射的熱量。遠紅外線可以被儀器探測到,像非接觸式體溫計、紅外夜視儀、遠程體溫測量儀都是利用了人體輻射遠紅外線的原理製造的。

總結:

光是粒子,世界上不存在不是粒子的光。

光同時也是電磁波,光同時具備粒子和波兩種特性。

我們肉眼可見的光只是自然界所有光譜中的極小一部分,絕大多數的光我們都看不見。

運動的光子攜帶能量,光子又叫光能量子。

當光照射到我們臉上時,它的能量會使細胞的原子加速振動,從而產生熱能;紅外線的熱效應明顯,它會使我們覺得很熱,從而出汗,通過汗水蒸發將熱量帶走。

我們人體也會通過輻射遠紅外線進行散熱。

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