什么是光——光的性质概述

光，又称可见光，通常是指人眼可以探测到的电磁辐射。整个电磁波谱非常广泛，从波长以米计的低能无线电波，到波长小于1 × 10的高能伽马射线^-11年米。电磁辐射，顾名思义，描述了电场和磁场的波动，以光速(约30万公里/秒)在真空中传输能量。光也可以用一束光子来描述。光子是一种无质量的能量包，每一束都以光速以波状的性质传播。光子是能被传输的最小的能量量(量子)，它是光在离散量子中传播的认识，这是量子理论的起源。

图1:电磁光谱，突出显示人眼可探测到的狭窄的可见光窗口。

可见光与电磁波谱的其他部分并没有本质上的不同，除了人眼可以探测到可见波。这实际上只对应于电磁波谱的一个非常窄的窗口，范围从400nm的紫外光到700nm的红光。低于400nm的辐射被称为紫外线(UV)，超过700nm的辐射被称为红外线(IR)，这两种辐射都是肉眼无法探测到的。然而，先进的科学探测器，如安多尔制造的那些，可以用来检测和测量更广泛的电磁波谱范围内的光子，也可以降低比眼睛能检测到的光子数量(即更弱的光水平)。

光如何与物质相互作用?

人类能“看见”光并非偶然。光是我们感知周围世界的主要方式。事实上，在科学的背景下，光的探测是探测我们周围宇宙的一个非常强大的工具。当光与物质相互作用时，它可以被改变，通过研究产生或与物质相互作用的光，可以确定该物质的许多属性。例如，通过对光的研究，我们可以了解许多光年之外的恒星和星系的组成，或者实时观察活细胞内发生的微观生理过程。

物质是由原子、离子或分子组成的，正是通过它们与光的相互作用，产生了各种各样的现象，帮助我们理解物质的本质。原子、离子或分子都有确定的能级，通常与物质中电子所能持有的能级有关。光有时是由物质产生的，或者更常见的是，光子可以以多种方式与能级相互作用。

图2 -雅布隆斯基图的例子，说明分子与光子相互作用后的各种能态之间的跃迁。

我们可以用雅布隆斯基图来表示物质的能级，如图2所示。处于最低能量状态的原子或分子，称为基态，可以吸收光子，从而使原子或分子上升到更高的能级，称为激发态。因此，这种物质可以吸收特定波长的光。原子或分子通常只在很短的一段时间内处于激发态，然后通过一些机制松弛回到基态。在这个例子中，被激发的原子或分子最初不是通过释放光子而失去能量，而是通过内部过程使物质升温而松弛到较低能量的中间状态。通过发射比最初被吸收的光子能量更低(波长更长)的光子，中间能级弛豫到基态。

我们如何利用光来研究物质?

由于被物质吸收或发射的光子具有特定的能量，当与物质相互作用的光随后使用a分解成其组成波长时摄谱仪，得到的光谱特征告诉我们关于物质本身的大量信息。光谱学的广阔领域由多种光谱技术组成，如拉曼光谱，吸收/传输/反射光谱，原子光谱法，激光诱导击穿光谱法(LIBS)和瞬态吸收光谱，提供了大量关于原子和分子的科学性质的有用信息，并且能够非常具体地确定样品中这些材料的存在并量化它们的数量。

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