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光,它很忙

2014-07-30晴川

青少年科技博览(中学版) 2014年3期
关键词:光电效应阿基米德电磁波

晴川

有什么东西看不见摸不着却很重要?这话真是老生常谈了,当然是空气啊,没有空气人就会被憋死啦。但是请注意,自从有了雾霾,这个答案就不够严谨了。

那符合条件的还有谁呢?不少呢,不过今天我们要隆重推出的是电磁波!可是,电磁波有很多种啊!没错,我们就说说能看见的电磁波,也就是大家熟知的光吧。

有了光,有了世界

光是看得见的,我们看见的一切总的说来都是光,而不同的颜色,就是进入我们双眼的光是由波的波长所决定的。光线在我们的双眼内经过了折射后,被感光神经所接收,将信号传人大脑。所以没有光就没有信号,没有信号就什么也看不见,也就不能感知五彩斑斓的大千世界。

于是,人们白天依靠太阳,晚上依靠月亮。如果人类当初一直安逸于日月的恩赐,历史也许就此打住了。幸亏,就像神话中普罗米修斯偷走天火一样,人类发现了“火”。

火是最早的人造光源,当然,也是人造热源(太阳是天然热源)。光和热就此形影不离,光自己也日渐忙碌起来,工作量越来越大,工作种类也就越来越多。

战场上的新武器

除了照明,光还能干什么?我的答案,你一定吃惊:打仗!

难道是激光导弹?不,还没那么先进呢。我要说的是两千两百年前的事,那个时代有一名杰出的科学家——阿基米德,他的武器名称叫“死光”。之所以叫这个名字,不是说凭它能让敌人死光光,而是说这是一种具有强大破坏力的光学武器——聚光镜。凭借它,阿基米德仅仅带着几百名妇女就烧光了进犯的罗马舰队,当然这只是传说。

之所以说是传说,是因为人们到现在还没有成功再现当时的壮举。但要断定其是伪造,也未免低估了古人的智商,何况还是大名鼎鼎的阿基米德。事实上,美国麻省理工学院教授华勒斯带着学生们也重复过这个实验,实验结果相比之下打了个折扣,木头冒了烟,但是没有起火。不过不管怎么说,光作为武器,至少在今天实现了它的价值,这一点是毋庸置疑的。

到了近代,光又被赋予了全新的工作。其中最神奇而又最重要的是物理学界经常提到的“光电效应”,这种效应最终被应用于太阳能发电。这样一来,光和电也分不开了。那么这门亲事又是如何搭上的呢?

光电结缘

伟大的物理学家爱因斯坦告诉我们,光不但是波,而且是粒子。二者的区别在于,波没有办法一个一个地数,而粒子是有个数的。简单说来,光到了微观尺度,即原子尺度时,就能被看作粒子,这个粒子的名字叫“光子”。

光子是能量,就像我们平时吃的饭。金属内部无限放大后是一大堆原子,原子的外部则是电子。像人一样,电子不吃东西时都比较老实,吃饱了(光子)就开始闲逛,逛来逛去,就逛出了金属表面。而电子带负电,少了它们,金属的表面就开始带正电,会吸引金属内部的电子往外跑(正负相吸)。于是一边吃,一边逛,一边跑,跑跑逛逛,就逛出了电流。这大致就是光电效应的过程,如此看来,光不仅敬业,也很有牺牲精神。

这个发现在当时可谓石破天惊,于是有更多的人琢磨出更多的花样来。

首先是激光,这大概算是光电效应的类似过程。具体表现为电子吃掉光子之后,不往外逛了,大家一块喊“三二一”统一往外吐光子,吐出来的同步率极高,学名叫做“受激辐射”是也。

再然后,化学家也不放过这么好捏的软柿子,很快,“光催化”问世了。化学反应本身也是能量变化过程,所需能量过高作为一大难题始终困扰着很多人。现在好了,用光子喂饱电子,然后使唤电子,简单粗暴,确实很吸引人。

最后有人问,还有更多的花样吗?答案是:有!有的是。

到了二十一世纪,只有你想不到,没有它做不到的。比如光栅,比如光谱技术,比如偏振片(看立体电影用的)。如果在自然界内选拔一个劳模排行榜的话,光一定会“光”荣上榜。值得欣慰的是,光的利用既不像火力发电和核能发电那样带来那么多污染和废料,也不像风力那样要看它的心情,唯一的问题就是光很纤细,需要寻找最能哄它高兴的光伏材料。

瞧,光是个多有性格的大忙人呀。

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