2.1　电磁辐射的性质

2.1.1　波动性和微粒性

光是一种电磁波，是一种不需要任何物质作为传播媒介就可以以巨大速度通过空间的光子流（量子流）。光具有波粒二象性，即波动性与微粒性。

（1）波动性

光的波动性体现在反射、折射、干涉、衍射以及偏振等现象。在描述光的波动性时我们经常用波长λ、波数σ和频率ν来表征。波长λ是光在波的传播路线上具有相同振动相位的相邻两点之间的线性距离，如图2-1所示，单位常用nm。波数σ是每厘米长度中波的数目，单位为cm-1。频率ν是每秒内的波动次数，单位为Hz。波长、波数和频率的关系如下：

ν=c/λ　　 （2-1）

σ=1/λ=ν/c　　 （2-2）

c是光在真空中的传播速度，c=3.0×108cm/s。

（2）微粒性

光的微粒性体现在吸收、发射、热辐射、光电效应、光压现象以及光的化学作用等方面。光是不连续的粒子流，这种粒子称为光子（或光量子）。光的微粒性用每个光子具有的能量E作为表征。光子的能量与频率成正比，与波长成反比。它们的关系为：

E=hν=hc/λ=hcσ　　 （2-3）

h是普朗克常数，其值等于6.6262×10-34J·s。能量E的单位常用eV和J（1eV=1.6×10-19J）。

2.1.2　电磁波谱

若将光按照波长或频率排列，则可得如表2-1所示的电磁波谱表。根据能量的高低，电磁波谱可分为三个区域。

①高能区　包括γ射线区和X射线区。高能辐射的粒子性比较突出。

②中能辐射区　包括紫外区、可见光区和红外光区。由于对这部分辐射的研究和应用要使用一些共同的光学实验技术，例如，用透镜聚焦，用棱镜或光栅分光等，故又称此光谱区为光学光谱区。

③低能辐射区　包括微波区和射频区，通常称为波谱区。

2.1.3　电磁辐射与物质的相互作用

不同种类的电磁辐射与物质相互间发生复杂的物理作用。这些相互作用中，有涉及物质内能变化的吸收、产生荧光、磷光和拉曼散射等，也有不涉及物质内能变化的透射、反射、非拉曼散射、衍射和旋光等。

常见的电磁辐射与物质相互作用有：

①吸收　原子、分子或离子吸收光子的能量（等于基态和激发态能量之差），从基态跃迁至激发态的过程。

②发射　物质从激发态跃迁回至基态，并以光的形式释放出能量的过程。

③散射　光通过介质时会发生散射。散射中多数是光子与介质分子之间发生弹性碰撞

所致，碰撞时没有能量变换，光频率不变，但光子的运动方向改变。

④拉曼散射　光子与介质分子之间发生非弹性碰撞，碰撞时光子不仅改变了运动方向，而且还有能量的交换，光频率发生变化。

⑤折射和反射　当光从介质1照射到介质2的界面时，一部分光在界面上改变方向返回介质1，称为光的反射；另一部分光则改变方向，以一定的折射角度进入介质2，此现象称为光的折射。

⑥干涉和衍射　在一定条件下光波会相互作用，当其叠加时，将产生一个其强度视各波的相位而定的加强或减弱的合成波，称为干涉。当两个波长的相位差180°时，发生最大相消干涉。当两个波同相位时，则发生最大相长干涉。光波绕过障碍物或通过狭缝时，以约180°的角度向外辐射，波前进的方向发生弯曲，此现象称为衍射。