第三节 光与影在摄影中有什么作用？

一、为什么到了夜间自然界的颜色就消失了？

我们通过镜头看到自然界中五颜六色的物体，是因为眼睛接收了通过镜头来自物体发射、反射、散射或折射的光。而大多数物体是不发光的，在夜间便没有阳光供其反射或折射，当然我们就看不到五颜六色的物体。人类在跟黑暗的斗争中，创造出多种人造光源战胜了黑夜，即在夜间也可以象白天一样的生活、工作和摄影。

二、光度学中常用的物理量有哪些？

人类在同黑暗的斗争中创造了多种光源，任何光源都涉及到对其辐射能的量度问题。在光学中与能量有关的量有两类：一类叫辐射度学量， 如辐射能、辐射通量、辐射强度、辐射亮度、辐射照度等，它表示辐射能的大小；另一类是生理的收做光度学量，它表示人眼对辐射能的视觉强度，有时两者没有必要加以区别。

1. 光通量（即光流）

光通量表示光源表面的客观辐射通量对人眼所起的视觉强度，它等于辐射通量与视见函数的乘积，光通量的单位为“流明”。不计相对视见率的辐射通量单位为“瓦特”。“流明”——发光强度为 1 烛光的点光源在单位立体角（1 球面度）内发出的光通量。

1. 发光强度

发光强度是表示光源在一定方向范围内发出的可见光辐射强弱的物理量，单位为“烛光”。如不包括相对视见率时，光源的辐射强度是单位立体角中全部辐射通量，单位为瓦特／球面弧度。相对视见率又叫“视见函数”。不同波长的光对人眼的视觉灵敏度不同。一般说，人眼对黄绿光最灵敏；对红光和紫光都不灵敏；而对红外光和

。

紫外光，则无视觉反应。所以人眼对波长为5 550A黄绿光的视见率

为最大，取为 1；其他波长的可见光的视见率均小于 1；红外光与紫外

。

光的视见率等于零。某波长光的视见率与波长为5 550A的黄绿光视见

率的比称为该波长的相对视见率。在不同条件下，视觉灵敏度是不同的， 上述视见率是指白日视觉（亮视觉）的情况下。暮曙（暗）视觉则不同。两者的区别如图 1－5 所示的明视觉和暗视觉的视见函数曲线可见，图中横坐标是波长，单位为纳米（nm），纵坐标为视见率（相对视见率）。

1. 照度

物体单位面积上所得到的光通量，其单位为勒克司。4．亮度

亮度表示发光面发光强度并与发光面特性有关的物理量，可以用单位面积的光源表面在法线方向单位立体角内传送出的光通量数值来量度。

三、什么叫光源？光源的种类有哪些？

在物理学中，将能够发光的一切物体都叫光源。任何发光物体的发光过程都是电磁波的辐射过程。从不同角度把光源可分为：自然光源和人造光源；热辐射光源和非热辐射光源；普通光源和激光光源；热光源、气体放电光源、固体光源、自然光源和激光光源等。了解了光源，就能掌握摄影的主动权。为适应日常生活、生产和各种科学技术及摄影等方面的需要，必须有各种不同光学性质和结构特点的光源。在成份分析、结构研究、检验测量等方面光源都是必不可少的，同时在很多情况下， 常起着关键性的作用。在摄影技术中，光源显得更为重要，因为没有光， 影也就不复存在。无光无影就无从谈摄影。

1. 什么叫热辐射？

发光过程就是辐射过程，要维持这一过程必须不断补给发光体以能量。不断给物体加热来维持一定的温度，物体就会持续发光。这种发光叫做热致发光，如太阳、白炽灯、碘钨灯、溴钨灯等的发光都属热致发光，或叫热光源。热辐射的微观机理是什么呢？

在热光源中，大量的分子和原子在热能的激发下，从正常的稳定态

（基态）跃迁到激发态（非稳定态），在它们从激发态返回正常态的过程中，都将辐射发光（电磁波）。各个分子或原子的激发和辐射参差不齐，而且彼此之间没有联系，因而在同一时刻，各个分子或原子所发出的光波的频率、振动方向和相位也各不相同。另外，分子或原子的发光是间歇的，一个分子或原子在发出一列光波后，总要间歇一段时间后才再发出另一列光波，对同一个分子或原子而言，在不同时刻所发出的光波的情况也不一定相同（由被激发的状态决定）。就某一时刻，不同分子或原子可同时发出不同频率的光。因此宏观上看到的是复合光（白光）。

1. 什么叫非热辐射？

各种气体灯的发光过程是靠电场补给能量，这样的过程叫做电致发光。某些物质在放射线、X 射线、紫外线，可见光或电子束的照射或轰击下，可发出可见光束，这种过程叫做荧光（光致发光）。像日光灯管壁上的荧光物质、示波器管或电视显像管中的荧光屏的发光属于此类。有的物质在上述各种射线照射之后，可以在一段时间内持续发光，这种过程叫做磷光，夜光表上的磷光物质的发光属于此类。由于化学反应而发光的过程，叫做化学发光，如腐物中的磷在空气中缓慢氧化发出的光（如坟地上有时出现的“鬼火”）属于此类。生物体（如荧火虫）的发光叫做生物发光，仍是特殊类型的化学发光过程。应当指出，能量形式可以互相转化，上述光的各种发射过程不能截然分开，同一光源中的光发射过程也往往不是单一的，如日光灯，即可看作是电致发光（水银蒸气发出紫外线），又可认为是光致发光（紫外线激发荧光物质发出可见光）。

1. 什么叫气体放电：

根据气体放电原理制成的气体灯种类很多：开放式气体放电光源； 气体灯（封闭的气体放电光源）。前者有：直流电弧、高压电容火花、高压交流电弧等。后者可分：辉光放电气体发光管、汞灯、钠灯、金属卤化物灯、氙灯、脉冲灯（包括万次闪光灯），燃烧式闪光泡、原子光谱灯等。

气体放电：气体具有异电性时，电流经过气体的现象就叫做气体放电。通常情况下气体是良好的绝缘体，它怎么能导电呢？一般而言，形成电流必须具备两个条件：一要有可移动的电荷（如电子、离子等）， 二要有使电荷作定向运动的力（电场）。气体放电有两种：①被激放电。用火焰将气体加热成用紫外线，伦琴射线，放射性元素的射线等照射气体时，都能使气体电离而导电，但外界作用停止，气体又将恢复为绝缘体；②气体自激放电：当加在气体（两极）上的电压足够大时，即使停止外界使它电离的作用，而放电过程仍然继续，这种放电叫做自激放电， 这时的电压 V。叫做点燃电压。因为气体中总有少数离子存在（如宇宙射线等激发），离子在足够大的点燃电压 U。作用下，获得足够的能量。当正离子到达阴极时，与阴极碰撞，可使阴极发射电子，这种电子在强电场中加速，能量增加很快。这些被加速的电子，跟中性原子或分子碰撞时，不但不为原子或分子俘获成为负离子，反而能使原子或分子因碰撞而电离，并放出电子，这种电子被加速后又与原子或分子碰撞发生新的电离，因此电子群向阴极运动过程中，电子数目急剧增加。在自激放电中，由于负离子不易形成，又因正离子的速度比电子的速度小得多，因此在气体自激放电中主要导电机构是电子。气体放电（导电）往往同时伴随着发光现象。气体放电过程与很多因素有关：一是跟气体的压强有关。当气体的压强较低时（稀薄气体），自由程就长，在相继两次碰撞的时间内积累起来的能量就大，易于碰撞电离，故容易放电；二是跟电场强度有关。通常情况下，电场强度大时容易放电；三是跟电极的形状、位置、温度、材料等都有关。因此，利用不同条件，可制造出满足各种需要的气体放电光源。其中常利用辉光放电原理制成各种荧光灯和利用弧光放电原理制成不同类型的弧光灯。

四、摄影中常用的照明灯有哪些？

1. 什么叫新闻碘钨灯？

新闻碘钨灯是卤钨灯中的一种。卤钨灯也是一种白炽灯，是根据电流的热效应原理制成的。白炽灯的灯丝温度越高，它所放出的光辐射能越多。灯丝是白炽灯的主要部分，用作灯丝的材料必须满足：①熔点高。对于大多数材料而言，随着温度的升高，辐射的总能量及可见光在辐射中所占的比重都增加，因此，材料的熔点高就可以实现高的工作温度；

②蒸发率小。蒸发率是决定白炽灯寿命的基本因素，二者成反比关系；

③可见辐射选择性好，即在可见光区有较多的能量辐射。经过比较，钨是适合的材料，而且它的机械强度大，易于加工成丝。因此，几乎所有的白炽灯都用钨作灯丝。抽出空气的灯泡内充进惰性气体，目的在于抑制灯丝蒸发。因为灯丝在高温下工作时，蒸发出来的钨原子与惰性气体分子发生频繁的碰撞，从而使钨原子可以反射回钨丝表面。在同样寿命下，充气灯可提高灯丝工作温度，从而提高光效。为了进一步延长灯的寿命，提高光效，在充气钨灯的基础上又制成了卤钨灯（如碘钨灯，溴钨灯等）。主要原理是卤钨循环：高温下从灯丝蒸发出来的钨在泡壁附近与卤素反应，生成挥发性的卤钨化合物。当卤钨化合物扩散到灯丝附近时，又分解为卤素与钨，释放出来的钨沉积在灯丝上，而卤素则又扩

散到低温的泡壁附近与蒸发出来的钨化合。这一过程叫做卤钨循环，或钨的再生循环。这样，不仅可以大大提高灯丝的工作温度和灯的光效， 而且泡壳在燃烧过程中并不发黑。

根据用途的不同，灯丝和泡壳可以作成不同的形状，如灯丝可作成点状、线状、排丝型、带状等，但都必须考虑灯丝跟泡内气体接触时少放出热量，从而使灯丝热得快，提高灯丝的工作温度。为了改善泡壳的透射光谱，泡壳材料还可采用石英玻璃，硅氧玻璃等。为了使金属线发热时玻璃不会破裂，经过玻璃内的金属线，是由一种热膨胀系数跟玻璃热膨胀系数相同的金属制成。为了使电灯便于接通电流，在灯丝上须附装一用油灰固定在灯泡上的金属灯头。灯泡头是由具有螺纹槽的金属套筒及跟套筒绝缘的接头构成，接通灯丝的两条导线，分别焊接在灯泡头的套筒和接头上。

1. 什么叫金属卤化物灯？

金属卤化物灯的出现，是因为金属卤化物有如下特点：金属卤化物的蒸气压一般都比金属本身的蒸气压高得多；除金属氟化物外，其它金属卤化物都不与石英玻璃发生明显的化学反应；在是弧温度（大于 2 500 开尔文）下可稳定，因此，才易于分解成金属和卤素，利于获得高的蒸气压；在管壁温度下又要稳定，不会在管壁析出金属。一般金属卤化物都具有上述特点。其中碘化物较优越，故在摄影灯中应用最广。大多数金属卤化物灯内都充有汞，其作用是：提高灯的发光效率；改善灯的电学特征；有利灯的启动。金属卤化物灯的管壁与电弧中心的温度相差很大，金属卤化物会发生分解和再复合。其循环过程是在管壁的工作温度下，金属卤化物大量蒸发后，在电弧中心的高温区（约 400～6 000 开尔文），金属卤化物的分子分解成金属和卤素原子。金属原子产生放电并辐射发光。而由于电弧中心区金属原子及卤素原子浓度高，它们又向管壁扩散，并在管壁附近的低温区重新复合成金属卤化物分子，就靠这种循环，不断向电弧中心提供足够浓度的金属原子。

金属卤化物灯的种类很多。如：碘化钠、碘化铊、碘化铟灯（简称纳铊铟灯）、超高压铟灯、卤化锡灯、镝灯等。(1)镝灯，其显色性好， 光效高。因此，它不仅是很好的照明光源，同时也适用于拍摄彩色影片和彩色照相制版。因为稀土金属（如镝、钬、铥等）的光谱在整个可见区有十分密集的谱线，因此，在灯内采用此种金属碘化物则可产生显色性很好的光。这种灯的显色性能随稀土金属分压强的提高而改善，所以升高灯管工作温度可获得光色更好的白光。如果在镝灯内添加钬和铥的卤化物，还能进一步提高显色性。在镝灯内，卤化物对管压有较大贡献。一般汞对管压的贡献为 70％左右，金属卤化物对其贡献约为 30％左右。

1. 超高压铟灯，尺寸小，光效高，光色好，适用电影放映用光源， 也可作为显微投影仪的光源。

2. 卤化锡灯，一般采用氯化锡——碘化锡——汞的组合，或磺化锡

——澳化锡——汞的组合。此种灯的显色性极好且具有稳定性，因此， 它不仅适用于室内照明，也可用于印刷和染色及摄影等场合。

1. 什么叫万次闪光灯？

万次闪光灯是脉冲灯中的一种。此种灯能在极短时间内发出很强的光。图 1－6 所示为其工作电路。电压为 V0 的直流电源电源经充电电阻 R

使贮能电容 C 充电到工作电压 V0。V0 一般低于灯的自击穿电压，而高于其着火电压。脉冲灯管外绕有触发丝。工作时，在触发丝上施于高脉冲电压，使灯内产生电离火花线。火花线大大减少了灯的内阻，使 C 内贮存的大量能量能够在极短的时间内通过脉冲释放出来，产生极强的闪光。放电过程大致可分为瞬态和隐态两个阶段。

图 1－6

照相常用脉冲氙灯（万次闪光灯）。这种灯的泡壳常用硬玻璃制成。电极芯柱和螺旋都用钨，并涂有电子粉。此种灯的光色跟日光接近，适于作彩色摄影光源。

脉冲灯的种类很多，共同的特点是亮度很高，所以被广泛的用于摄影光源、激光器的光泵、印刷制版源等。

五、什么叫光源的色温？

1. 光源的光谱功率分布与色温有什么关系？

任何光源（包括热光源的非热光源）的发光过程都是辐射过程，所辐射的光都是由不同波长的辐射组成，各个波长的辐射功率也不相同。光源的光谱辐射功率按波长的分布叫做光谱功率分布。不同光源，由于发光物质的成分不同，它们的光谱功率分布也不同。一定的光谱功率分布就对应着一定的光色。那么，如何用温度来描述（表示）光色呢？这就需要选择一个“标准”（黑体），用它的温度来“量度”实际光源的颜色温度。

①什么是黑体呢？

我们把在任何温度下都能完全吸收照射其上的任何频率辐射能的物体叫做绝对黑体，简称“黑体”。黑体辐射完全可用普郎克辐射定律来描述。实际上把任何物体做成空腔，在它很小的开口处就是个相当理想的黑体。黑体在不同温度下，在可见光谱范围内的相对功率分布曲线如图 1－7(a)所示，跟图(a)对应的色度轨迹如图(b)所示（即色品图，简称色图）

②什么叫色品图呢？

我们知道，视觉对不同波长所引起的不同色调感觉，可以用红、绿、蓝三原色按照不同比例来调配而得。国际照明学会规定把它们之间的百分比分别用 x、y、z 来表示。由于是百分比，三者相加必等于一，所以色调实际只要用 x、y 两值来表示即可。将光谱色中各段波长所引起的色调感觉在 xy 平面作成图标时，即得色图。因白色的感觉可用等量的红、绿、蓝三色混合而得，因此，图中愈接近中心的部分，表示愈接近白色， 也就是饱和度愈低；而边缘曲线部分则饱和度最高。因此色图中一定位置相当于物体颜色的一定色调和一定饱和度（一定色品）。

③什么是色温？

从上述两图可知：一定温度的黑体，必有一定的光谱功率分布；一定的光谱分布对应一定的颜色。人们就用黑体加热到不同温度所发出的

不同光色来表达一个光源的颜色，叫做光源的颜色温度，简称“色温”。例如，一个光源的颜色与黑体加热到绝对温度 3 000K 所发出的光色相同，此光源的色温则为 3000K。在色图上对应的坐标值：x＝0．437，y

＝0．404，此色度点刚好落在黑体轨迹上。有的光源的光色在色度图上不一定准确地落在黑体轨迹上，但常在该轨迹附近，也就是光源的色度坐标并不恰好是黑体轨迹上的色度坐标，所以用光源与黑体轨迹最接近的颜色来确定该光源的色温，这样确定的色温叫做相关色温。色温常用热力等温标，单位以“开尔文”（符号 K）表示。温标就是温度的标尺（有多种），摄氏温度 t 跟热力学温度 T 的关系为：

T＝（t）＋ 273．157K（要求不太精确时可取 273）（1－1）

1. 色温对彩色摄影有什么影响？

色温对彩色摄影有很大的影响。它与彩色有极密切的关系。只有当感光材料的特性与光源的色温相符合时，红、绿、蓝三种色光才能得到平衡，获得理想的彩色景象。例如日光型彩色片，当色温在 5 600K 左右时，拍摄不同景物都能得到良好的彩色效果。当色温偏低时，照片上反映出来的颜色偏红；当色温偏高时，则照片上的颜色偏蓝。专供碘钨灯照明的灯光型彩色片，色温要求一般在 2 800K～3 400K 之间，可正确地再现被摄对象的色彩。

在复杂的情况下，要根据彩色胶卷的特性，对色温加以校正，一般较正的方法就是加用滤色镜，用滤色镜来校正或补偿色光，使色彩获得平衡。常用的滤色镜有紫外线滤色镜（UV 滤色镜）、蓝色滤色镜、橙色滤色镜（雷登 85#）等。

1. 什么叫光色的舒适感？

在人类视觉器官发展和进化中，一直习惯于日光和火光。人的眼睛在白昼一直适应自然光。太阳的辐射光是连续光谱，日出前和日落后色温较低。约 2 000～4 000K，中午和阴天色温较高，约 5 000～7 000K。在自然条件下，人在夜晚利用火光进行照明。在原始时代，人们点燃篝火，后来就发明了油灯和蜡烛等，人工光源，火光的光谱也是连续的。目前，人造光源种类很多。那么最优光色是什么呢？研究结果表明，光色的舒适感跟照度有关系，低照度时的舒适光色是火光（篝火、烛光、油灯光）的低色温光色；偏低或中等照度时，舒适的光色是接近黎明和黄昏时的、色温略高的光色；高照度时，舒适的光色是接近中午的阳光或偏蓝的高色温天空光色。照度与光色舒适感的关系只是色觉的偏好而已（是习惯）。不同色温的人工光源并不影响视觉辨认细节的能力。实验证明：在白炽灯（相关温度约 2 900K），荧光灯（色温约 6 500K），

高压汞灯（色温约 5 500K）三种色温的光源照射下，在它们的照度相同时，视觉辨识细节的能力是没有差别的。自然光和一些常用人工光源的色温的比较如表 1－2 表示。表中的光源（A、B、C）都是规定的标准光源。

表 1－2 自然光和人工光源的色温

六、什么是光源的显色性？

随着科学的发展和技术的进步，许多国家都研究试制了新型人工光源，并已经取得了显著成绩。这就涉及到如何评价新光源的优劣。一是技术方面的指标。发光效率和使用寿命。二是显色性。什么叫光源的显色性呢？把一个光源对物体颜色外貌的结果跟选定的光源对物体颜色外貌的结果相比，若一致，此光源显色性就好，否则就不好。在日常生活中，我们可以把白炽灯和日光灯作为标准，认为在这两种光源下看到的颜色是物体的“真颜色”。而在荧光灯、汞灯、钠灯等光源下看物体的颜色则有所不同，例如，在日光下观察一块花布，再将其拿到高压汞灯下观察，就会发现某些颜色已变了色。如粉色变成了紫色、蓝色变成的蓝紫色。这说明，在高压汞灯下，颜色发生了失真。

在色度学中，按 CIE（国际照明委员会）的规定，把普朗克辐射体（如黑体）作为低色温光源的参照标准，把标准照明体 D（也叫典型日光或重组日光）作为高色温光源的参照标准。用上述尺度衡量，白炽灯和日光灯是显色性最好的光源，高压汞灯等虽然发光效率很高，但显色性却很差。因为光源显色性跟光源的光谱功率分布有关。

1. 什么样光源显色性好？

①具有连续光谱的光源显色性好。由于汞灯等新光源的光谱不是连续的，光谱中缺少某些单色光的成分，在它们下面观察物体时，某些颜色就会发生变色。

②由几个特定颜色光组成的混合光源也具有很好的显色效果。如光谱 450 nm（蓝），540nm（绿），610nm（橘红）波长区的辐射，对提高光源的显色性具有特殊效果。用这三个颜色光以适当比例混合所产生的白光（高度不连续光谱），跟具有连续光谱的光源一样都有同样好的显色性。当用一个仅由上述光谱成分组成的光源去照射肤色、肉类、蔬菜、叶丛等常见物体时，有经验的观察者对这些物体的颜色质量给予很高的评价。在上述混合光源中，缺少 500nm 及 580nm 波长附近的光谱成分。此两个波长对显色不利，叫做干扰波长。若用含有这种波长功率的光源照明有颜色物体，一些颜色便会失真。③通过光源的混合可以提高光源

的显色性。例如白炽灯跟高压汞灯的混光、高压钠灯跟高压汞灯的混光等。混光光源都具有较高的光效，同时，能使其显色性有一定程度的提高。

1. 光源的显色性对彩色摄影有什么影响？

如果摄影用的光源光谱成分的变化会引起人所观察的物体的颜色发生变化，就会影响彩色摄影的颜色还原效果（包括彩色电影和彩色电视的颜色还原效果）。在日光下，彩色底片或彩色摄像机对各种颜色能提供与原景物近乎同样的还原效果。所以拍摄外景时颜色还原最好，复现的颜色符合人们的习惯，色调不失真。白炽灯、碘钨灯、溴钨灯、镝灯等几种光源的显色性都比较好，适用于辨别颜色要求高的视觉工作、彩色电影的拍摄、染料、彩色印刷、纺织、食品工业和商业等。特别是溴钨灯、镝灯这两种新光源拍摄和放映彩色电影，屏幕上的影像色彩很鲜艳，清晰逼真，在其它方面的应用也有广阔的前途。

但有时，却要有意歪曲某些颜色来满足需要，如正在研究的所谓光源的“喜爱指数”：首先要确定一些常见物体的喜爱颜色，如人们认为美丽的面部颜色、新鲜肉类食品及蔬菜水果等颜色，并希望通过光源的照明将它们的真色变为“喜爱的颜色”。例如国外特制的一种柔白色荧光灯，能压低绝色，加强红色，肉食品在其照射下显得更鲜艳；又如自然荧光灯，可以使人脸色看起来更加红润，健康等。

七、什么叫激光？

激光跟以前介绍的普通光源比有许多不同之处。所谓激光就是光受激辐射放大的简称。它通过辐射的受激发射实现光放大。它的特点是亮度高、单色性好、高度平行的相干光束。它一问世，就引起了人们普遍重视，并很快在生产和科学技术中得到广泛的应用。各种激光器的研制和激光的应用也在突飞猛进地发展着。作为激光器的工作物质已经相当广泛：固体、气体、液体、半导体、染料等。各种激光器发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内：短至 0．24 微米以下的紫外，长达 774 微米远红外，中间包括可见光，近红外，红外各个波段；输出功率的峰值， 小者只有几微瓦，大者可达 1012 瓦。1．激光器有几种？

激光器可从不同角度来分类：①按其工作物质，可分为气体、液体、固体和半导体激光器等；②按其工作方式可分为，连续的、脉冲的、Q 突变与短脉冲的等。

1. 激光有什么特性？

①激光的方向性好。因此可用于定位、导向、测距等。如测地球跟月球间的距离，精度可达±15cm；

②单色性好。

③能量集中。普通光源如白炽灯发出的光射向四面八方，能量分散， 即使通过透镜也只能会聚它的一部分光。而激光器发出的激光，由于方向性好，几乎是一束平行光，通过透镜后，可会聚在一个很小的范围内， 因此，能量可在空间上高度集中。如果使用脉冲激光器，其能量可集中在极短的时间内，并以脉冲的形式发射出去，即激光又具有能量在时间上高度集中的特性。因为它把能量在时间和空间上能高度集中起来，所

以它具有很大的威力。

④相干性好。普通光源的发光过程是自发辐射，所发的光不相干。但激光是受激辐射，故而是相干的，是全息照相需要的理想光源。

1. 激光是怎样产生的？

当一束光射入媒质时，通常同时发生三种过程：光的吸收过程；光的辐射过程；光的放大过程。假设媒质中某原子（或粒子），最初处于基态（稳定态），当它在光子流的照射下，原子（或粒子）有可能吸收光子的能量，从基态跃迁到激发态（不稳态），这种过程叫做光的吸收过程。发生吸收过程的必要条件是：入射光子的能量必须等于原子的两个能级的能量差。但满足上述条件的原子也未必就一定跃迁，因为这里还有跃迁几率问题。各个能级的跃迁几率差别很大，有的大，有的小， 而有些能级的激发甚至是被“禁止”的。所有这些都决定于原子本身的运动规律。

原子吸收外界能量而跃迁到激发态，这个状态是不稳定的。原子在激发态停留的时间非常短，它们会很快地在没有任何外界作用的情况下，自发地辐射出光子束，从激发态返回到基态。这种过程叫做自发辐射。这种辐射的特点是：这种过程跟外界无关，各个原子的辐射都是自发地、独立地进行的，因而各个光子的发射方向和初位相都不相同。同时，由于大量原子所处的激发态不尽相同，可以发射出不同频率的光， 所以自发辐射的频率范围很广。这就是普通光源的发光机理。如果在激发态能级上的原子，在它还没发生自发辐射以前，就在外来光子的影响下，引起从高能态向低能态的跃迁，并把两个能级之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种过程叫做受激辐射——激光。受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率、相同的发射方向、相同的偏振态、相同的位相和速率。在受激辐射中，通过一个光子的作用，可以得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再去作用其它原子就有可能获得 4 个光子，这种过程如此进行下去，就可能产生大量特征相同的光子（光放大）。

一束光照射媒质时，通常情况下上述三种过程将同时进行着。如果第一种过程占主导地位，光就被吸收（减弱），第二种过程占优势时， 就是普通发光；第三种过程为主流时，就产生激光。那么，满足什么条件才能使第三种过程为主流呢？我们可用激活介质的工作模式图来加以说明。如图 l－8 所示。

图中所示：E1 为基态，E3 和 E2 为激发态，其中 E2 为亚稳态，原子在E2 上的寿命比在 E3 的寿命要长得多。用 N1、N2、N3 表示各态的原子（或粒子）数。在外界能源（电源或光源）的激励下，基态 E1 上的粒子被抽运到激发态 E3 上，因此，N1 在减小。因 E3 态的原子寿命很短，粒子将通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态 E2 上。由于 E2 态寿命长，其上就累积了大量粒子，即 N2 不断增加，N1 却逐渐减少，以致 N2 大于 N1，于是就实现了亚稳态 E2 与基态 E1 之间的反转分布（一般情况下， 处于低能态的粒子数多）。三能级示意图中实线箭头所示的过程为主流， 虚线箭头所示则为支流。具有亚稳态的物质如红宝石中的铬离子、氦原子、氖原子、氩原子、钕离子、二氧化碳等粒子，利用这些具有反转分

布的激活介质，就可以制成一台激光放大器（激光光源），当有外来光讯号输入时，其中频率γ＝（E2－E1）／h 的成分就被放大（h 为普朗克常数，E2—E1 为两能级间能量差）。

所谓三能级图（或四能级图），并不是激活介质的实际能级图，它们只是对造成反转分布的整个物理过程所作的抽象概括。实际能级图要复杂的多，而且一种激活介质内部，可能同时存在几对特定能级间的反转分布，相应地发射几种波长的激光。如氦氖激光器就可

。

以发射6 328 A（埃）、1．15μm（微米），3.39μ m等多种波长的激

光。又如氩离子 Ar+激光器，能输出很多种波长的光，其中最强的是

。 。

4 800 A（蓝光）和5 145A（ 绿光），这两个波长目前在激光彩色电视

中选为基色。

八、光是怎样传播的呢？

来自光源（或被摄物）的光，在空气跟镜头的分界面上将遵循什么规矩呢？当镜头的光圈调至跟波长可比拟时，将会有什么现象产生呢？ 这些问题涉及到一些光的传播定律。摄影者掌握了这些定律，就能在摄影中主动地应用它。

1. 什么是反射定律，什么是折射定律？

光射在空气跟镜头的界面上，将分为两部分，如图 1－9 所示。一部分光仍旧在原媒质中传播，但改变了传播方向，形成反射光线；一部分光进入另一种媒质里传播，一般也改变了传播方向，形成折射光线。但光在界面以外的均匀媒质中却都是直线传播的。如果要减少反射部分， 增加折射（透射）部分，可在界面上镀上增透膜。根据反射定律和折射定律，可具体确定光的反射方向和折射方向。为此，如上图所示，设 n1 和 n2 分别为两种介质的折射率，a 为入射角，α为反射角，β为折射角， NN′为法线。

①什么是反射定律？

反射线在入射线跟法线所决定的平面（叫入射面）里，反射线和入射线分居在法线的两侧，且反射角等于入射角。

②什么是折射定射？

折射线在入射线和法线所决定的平面里，折射线和入射线分居在法线的两侧，不管入射角如何改变，入射角的正弦跟折射角的正弦比，对给定的两种媒质而言是一个常数，即满足 sina/sinβ＝n2/n1；某种媒质的折射率等于光在真空中的传播速度（c）跟在媒质中的传播速度

（ v）之比，即n

c n ＝c / v ；n

＝c / v

所以sina / sinβ = v

/ v ,

₂ ＝ v ；

1 1 2 2 1 2

c＝3×108m/s。折射率大的媒质称为光密媒质，反之称为光疏媒质。

③什么叫全反射？

光由光密媒质进入光疏媒质时，全部被反回的现象叫全反射。因为光从光密媒质进入光疏媒质时，折射角总是大于入射角。当折射角等于90°时（折射光沿界面传播时），对应的入射角叫临界角。当入射角等

于或大于临界角时就发生全反射（折射光全部消失）。

④什么叫漫反射和漫折射？

当界面呈凹凸不平时，我们可以把界面分割成许多小面积元（近似为小平面），光到达角一小面积元上仍遵循反射和折射定理，只是小面元的法线方向不尽相同，因此，各折射和反射光的方向也不同，故我们才能从不同的方向看到物体。

1. 什么叫做光的干涉，什么叫光的衍射？干涉和衍射是一切波的基本属性。光能够干涉和衍射，说明光具有波动性。

①什么叫做光的干涉？

当阳光照在肥皂泡上时，我们就会看到美丽的彩色；雨天观察路面上油滴的斑点也如此；如果在光路上放置一个有色薄玻璃片（或薄膜）， 在后面的屏上呈现的图案是亮暗相间的单色条纹。这些都是光的干涉现象。

在什么条件下才有干涉现象发生呢？只有频率相同，振动方向相同，相位（即振动状态）差恒定的两列（或多列）光波相遇才能有干涉现象出现。如前面提到的肥皂泡、油滴、薄玻璃片等都是薄膜，如示意图（1－10）所示。从 S 发出的光线以入射角 i 射到薄膜上，在其表面上任一点 B 处，入射光线 b 经反射后成为 b1。另一入射光线 a 在 A 点经折射后进入薄膜内，再在 C 点经反射后到 B 点，最后折入原煤质中成为 a1。这两条反射光线 a1 和 b1），来自同一点光源 S，满足相干条件，进入人眼聚焦于视网膜上，将有一定的光程（等于在媒质中的几何路程跟媒质折射率之积）差。当这光程差是半波长的偶数倍或奇数倍时，可以看到 B 处出现亮点或暗点，如果是扩展光源则可看到多个亮点或多个暗点（明暗相间条纹）。如果入射光是单色光，薄膜表面上将出现明暗相间的干涉条纹，如果是复色光，就出现彩色条纹。所以阳光照射在薄膜上，所见的彩色条纹是扩展复色光源所产生的干涉现象。为什么强调必须是薄膜呢？因为薄膜比较厚，通过参考点 B 的 a1 和 b1 的光程差就要大，当 b1 已通过了，a1 尚未到达，则两相应波列之间没有重叠，故不能产生干涉现象。为什么在两盏灯的照射下（那怕是它们的强度形状和大小完全相同），观察不到干涉现象呢？因为普通光源发出的光波是由彼此独立， 互不相关的原子发出的一系列有限长的波列组成。不屑说不同原子，就是同一原子先后发出的两个波列之间的位相差（位相差＝光程差／λ·2 π）也是不固定的，而是随时间作无规则且迅速的变化，由于这种变化引起的光强度改变的次数，在观察或测量的时间内几乎是无限多的，于是在相遇点只能获得平均光强度。它跟两个波列在该点单独产生的光强度之和没有区别，故不产生干涉现象。光的干涉现象在科学技术中有很多应用，在摄影技术中也有应用。例如折射型摄影镜头中的镜片一般都镀有增透膜就是利用薄膜表面反射时，使某些波长因干涉而减弱，以减少某种波长的光的反射，而增加透射。用镀反射膜（薄膜表面反射时， 使某些波长干涉而加强）来增加反射率；象氦氖激光器中的谐振腔反射镜要求对波长λ＝6328 埃的反射率在 99％以上，为此可以采用高层镀膜，一般镀到 13 层、15 层或 17 层。全息照相的记录就是光的干涉原理具体应用之一；采用多层涂膜可以制成透射的干涉滤色片，就是使某一

特定波长的单色光能透过滤色片，而其它波长的光则因干涉而抵消掉， 同样可制成反射式滤色片。

②什么叫光的衍射？

首先让我们观察一下如图 l－10(b)所示的实验：S 是一点光源，K 为直径可调节的圆孔，E 为屏幕。可观察到，随圆孔的缩小，屏上的亮圆也随之缩小，当小孔的直径小到跟波长（400～7700 埃）可以相比拟时， 屏上便得到一些明暗相间的圆环，这些圆环所占的范围远远超过了根据光的直线传播所照明的面积（如图中 a′b′范围）。光的这种绕射现象叫做光的衍射。如果把小孔换成小屏，窄缝和细丝等同样会观察到光的绕射现象（明暗相间的圆环或明暗相间的条纹）。以上是在单色光照射下的情形。如果光源是复合光（日光），则会观察到彩色圆环或彩色条纹。摄影镜头及其它光学仪器的分辨本领就是由光的衍射性质决定的； 全息照相的再现也是靠光的衍射来实现的。

1. 什么叫全息照相？

我们之所以能看到物体，是因为物体上的各点发出的光（或反射、折射的光）作为一种信号，被人的眼睛接收，并引起感觉的结果。这种光信号是一种电磁波，借助于物体上各点发出电磁波的频率、振幅、以及相位的不同，人们可以区别物体的颜色、形状、远近等。普通照相是通过镜头把物体在感光胶平面上的照度分布记录下来，所以记录的只是光信号的强度，印制在相纸上呈现出物体的平面象。所谓“全息照相” 就是要把物体上发出的光信号的全部信息，包括光波的振幅和位相全部记录下来，其中相位表示光传播中各质点振动状态。因此在被摄物体再现时，能得到物体的立体图象。早在 1948 年伽伯就提出了全息原理，并开始了全息照相的研究工作，但进展很慢，直到激光问世，才促进全息技术进入了一个新阶段，相继出现了多种全息方法，不断开辟了全息应用的许多新领域。伽伯因此获得 1971 年度的诺贝尔物理金奖。

①激光全息照相是怎样记录的呢？

图 1－11(a)所示为全息照相记录的一种实验装置。激光器射出激光束通过分光镜分成两束：一束经透镜扩束后照射被摄物体，再经物体反射（或透射）后照到感光底片上，这部分光叫做“物光”；另一束经反射镜改变光路，再由透镜扩大后直接投射到感光底片上，这部分光叫参考光。由于激光相干性好，物光和参考光在感光片上迭加，形成干涉条纹。因为从被摄物体上各点反射（或折射）出来的物光，其强度和位相都不相同，所以感光片上各处的干涉条纹也不相同，强度不同使条纹变黑程度不同，位相不同使条纹的密度、形状不同。因此，被摄物体反射光中全部信息是以干涉条纹的形式记录在感光片上的，经显影、定影， 就得到全息照片。全息图就是一张干涉花样图，它跟普通照相底片不同， 用肉眼观察它，只见它是张灰蒙蒙的片子，看不到被摄物体的任何形象。在显微镜下可观察到它上面布满细密的亮暗条纹，这些条纹形状与原物形象也没有任何几何上的相似性，必须用激光去照射全息图才能再现像原物似的立体形象。

②全息照相是怎样再现的？

如图 1－11(b)所示，用一束同参考光束的波长和传播方向完全相同的激光光束照射全息图时，则用眼睛可以观察到一幅非常逼真的原物形

象，悬空地再现在全息图后面原来物体的位置。全息图如同一窗口，当人们移动眼睛从不同角度观察时，就好象面对原物一样看到它的不同侧面的形象，甚至在某一个角度被物体遮住的东西也可以从另一个角度上看到它。可见全息图再现的是一幅逼真的立体图象。如果挡住全息图的一部分，只露出另一部分，这时再现的物体形象仍然是完整的，并不残缺。因此，即使它碎了，拿来其中一片仍可使原物再现。

在再现过程中，布满干涉条纹的全息图，相当一块复杂的光栅，照明光束通过这个“光栅”产生衍射，产生了复杂的衍射场，其中包含原物的波前，人们在全息图前面看到的就是这个再现波前所产生的虚像。除了这个虚像之外，在全息照片的观察者一侧会形成一个实像，跟原物对称的分居在底片的两侧。

③普通照相跟全息照相有什么区别？

普通照相是以几何光学为基础的，底片上只记录物体各点的光强（或振幅），物像是点点对应的，得到提二维平面图，只用普通光源即可。全息照相，其过程分记录和再现两步，是以干涉、衍射等波动光学

的规律为基础的，底片上记录的是物体各点的全部信息（振幅和位相）， 物像是点面对应关系，即每个物点所发射的光束直接布满整个底片；也就是说，全息图中每一局部都包含了物体各点光的信息，如图 1－12(a) 和 1－12(b)所示。所以通过全息照片的一片碎片仍能看到整个记录的全部图像。总之，全息照相记录的是物光和参考光的干涉花样，其中记录了两光波之间的位相差，它是通过参考光把物光的全部信息（振幅和位相分布）记录下来的。假如没有参考光，或参考光同物光不能相干，也就无法把位相记录下来。再现时，必须用与原来参考光相同的光束（再现光）去照射。对再现光而言，全息照片相当于一块透射率不均匀的障碍物，再现光经过时就要发生衍射，观察到的是一幅逼真的立体图像。要求光源有很高的空间和时间的相干性，激光便能满足要求。

④全息术有哪些应用？

全息照相有很多优点，可能应用的范围很广，潜力很大，现在多数还处于试验阶段，有如下几种可能应用：(a)全息电影和全息电视；(b) 全息显微技术；（C）全息干涉技术；（d）红外、微波及超声波全息照相技术，其全息照相能提供军事目标的立体形象，对于识别飞机、导弹、舰艇等有很大作用。光在大气及水中传播时衰减很快，甚至在不良气候条件下无法工作。但用红外、微波及超声波拍摄全息照片，然后用可见光再现物像。这种全息技术跟可见光全息技术相同，技术上需要高灵敏的记录介质和适当的再现方法。超声全息照相可以用于水下侦察和监视。对可见光而言不透明的物体，往往对超声波都是“透明”的，超声全息照相也能用于医疗透视诊断，在工业上可作无损探伤；（e）全息存储技术，全息照相有很大的存储量，在一张全息图上可以存储许多全息图。利用角度选择性可以依次读出不同信息。目前制成的全息照相存储器，可在 1cm2 的胶片上存储 107 个信息，比目前使用的存储器的存储量要高十倍至百倍。

1. 什么叫做光的偏振？

如果光波在一个固定平面内只沿一个固定的方向作振动，这种光称为线偏振光或面偏振光（简称偏振光）。一个原子或分子在某一瞬时所

发的光原本是偏振的，即振动具有一定的方向。但光源中大量原子或分子所发出的光是间歇的，一个“熄灭”，另一个“燃烧”，在接替时， 光的振动不可能保持一定的方向，而是以极快的小规则的次序，取所有可能的方向，而且各方向都是机会均等的，没有一个方向较其它方向更占优势，这种光叫做自然光。普通光源发射的光就是自然光，而激光却是偏振光。

①怎样用图示法表示自然光和偏振光呢？图 1－13 所示是通常用的表示自然光的方法：(a)表示跟光传播方向垂直的任意平面内，光振动是沿各个方向分布的，且所有方向的振动强度都相同；(b)在上述平面内，把各个方向的振动都分解为两个互相垂直的分振动，则自然光可用互相垂直且振幅相等的两个独立光振动表示；（C）表示自然光在跟光的传播方向垂直的不同平面的分布情况，点表示垂直纸面的光振动，短线表示在纸面内的光振动，点和矩线相同，且距离相等表示为自然光。图 1

－14 表示偏振光和部分偏振光：(a)表示振动方向在纸面内的线偏振光； (b)表示在垂直纸面振动的偏振光；（C）表示在纸面内的振动强于垂直纸面内振动的部分偏振光；（d）表示垂直纸面振动强于平行纸面振动的部分偏振光。

②自然光怎样转化为偏振光呢？

光照射到物体表面时，一部分被反射，一部分被折射。实验指出， 在自然光被某些物体反射和折射过程中，这些物体能够使某些方向的振动较其它方向的振动占优势，于是在反射或折射出来的光线中，某一方向的振动特别强，而其它方向的振动特别弱，如图 1－15 所示是入射角为任意角度的入射光线（自然光），其相应的反射光和折射光都变成了部分偏振光的情况，反射光中垂直于入射面振动的光较强，而折射光中平行于入射面振动的光强。布斯特在 1811 年指出，反射光偏振程度决定于入射角 a，当 a 等于某一特定值 a0 并满足 tga0＝n，n＝n2／n1 时，反射光则成为完全偏振光，经推导得 a0＋β＝90°即反射光和折射光相互垂直。如图(b)所示。反射光为偏振光，a0 角叫做布斯特角。

折射光的偏振化程度也决定于入射角和折射率。在折射率给定的条件下，当 tga0＝n 时，则折射光偏振化程度最强，但还远不是偏振光。如果将自然光连续地通过许多平行玻璃后（即玻璃堆），则折射光偏振化程度可以逐渐增强。当玻璃片的数足够多时，最后透射出来的光将成为完全偏振光。

③什么叫偏振镜（偏振片）？

偏振镜是一种只能让一个振动方向的光通过的中性滤光镜。它是起偏器（自然光通过它可变成偏振光）或检偏器（检验光是否是偏振光） 中应用最广的一种。偏振镜为什么只能让一个振动方向的光通过呢？这是由它的结构决定的。它是用赛璐珞或其它透明物质构成的薄片，在薄片的表面上涂了一薄层约 0．1mm 二向色性很强的物质的细微晶体（奎宁或硫酸金鸡钠碱是这种物质中最常用的）。有些晶体对不同振动方向的光具有选择吸收的性质。例如电气石晶体是六角形的片状如图 1－16 所示，长对角线的方向称为它的光轴。当光射在这种晶体表面时，跟光轴平行的成份被吸收的少，通过的多，如图(a)所示；跟光轴垂直成份被吸

收的多，通过的少，如图(b)所示。这种性质叫做二向色性，上例中晶体对两个方向的振动吸收差别不够大，也即二向色性不强，用作偏振片的理想晶体最好能尽量使一个方向的振动全部被吸收，即二向色性强。例如，硫酸碘奎宁晶体的性能就比电气石好，但它的晶体很小。通常的偏振片只是在拉伸了的塞璐珞基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁的晶粒，基片的应力可以使晶粒的光轴定向排列起来，这样可得到面积很大的偏振片。偏振片上能透光的振动方向叫做它的透振方向。如果将偏振片夹在两层粘合玻璃中间就成为偏振镜。

自然光通过偏振片后就可以转变为偏振光，如图 1－17 所示。当偏振光的振动方向与偏振片的透振方向（透光轴，即偏振化方向）相同时， 光能通过；当偏振光的振动方向跟偏振片的透振方向垂直时，光不能通过（产生消光）。例如在拍摄水面下的某物或展览橱窗中的陈列品的照片时，由于水面或橱窗玻璃的反射很强，使得水面下的景物或橱窗中的陈列品看不清楚，摄出的照片就模糊不清。如果在照相机镜头上加一个偏振片，并使它的透振方向平行于入射面，它也跟反光的平面垂直或斜交，使反射光中的成分多的垂直于入射面振动的反射光被阻挡，就能摄得清晰的照片。

1. 什么叫大气散射？

光线通过均匀媒质（如玻璃、清水等）时，从侧面是难以看到光线的，如果媒质不均匀（如有悬浮微粒的浑浊液体），我们便可以从侧面清晰地看到光束的轨迹。因为媒质不均匀性可使光线向四面八方散射。大气中的分子因热运动其密度有涨落（可看成是小团块）。当大气中的这些团块的尺度远大于波长的数量级时，散射可看成光在这些团块上的反射和折射；其尺度与波长可比拟时，散射则可看做是小团块对光的衍射作用。即大气的散射实质是光向四面八方反射，折射或衍射的结果。用大气散射的理论可以解释为什么天空是蓝的，旭日和夕阳为什么是红的，云为什么是白的等等。

①白昼的天空所以是亮的，完全是大气散射阳光的结果。若没大气， 就不会有白昼，人们仰望天空，将会看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中，正像宇航员常见的景象。由于大气的散射，将阳光从四面八方射向观察者，我们才能看到明亮的天空。

②因为团块散射光的强度跟波长的四次方成反比（ 即 Ia 1 ），故

λ4

波长较短的蓝紫光比波长较长的（红、黄）光富集而使天空呈蔚蓝色且明亮；大气的散射一部分来自悬浮的尘埃，而大部分是分子密度涨落引起的分子散射。尤其是每当大雨初霁，玉宇澄清，万里无云时，天空总是蓝得美丽动人，这是因为波长四次方反比作用在这种情况下更加明显的缘故。

③旭日和夕阳呈红色，实际跟天空呈蓝色的原理一样，蓝光仍然比红光散射强烈，只不过射向地面的部分少了，大部分射向北离地面的方向（认为是散射掉了），在直射的阳光中长波长的红光剩余的相对较多， 如图 1—18 所示，早晚从太阳直射的光所穿过大气层的厚度，比正午时直接由太阳射来的光所穿过大气层厚度大得多，所以被散射掉的蓝光成分大于红光成分，故太阳呈现出红色。

④白云是由大气中的水滴组成的，因为这些水滴的半径跟光波波长比，不算小了，此种情况下散射光的强度不再跟波长的四次方成反比了， 而是跟波长的关系不大，也就是说各种不同波长的光（可见光），其散射强度相差不悬殊，它是由各种波长的光组合的复色光（白光），我们才看到云是白色的。由于薄雾散射，用红色滤光片加在照相机镜头前拍摄薄雾中的景物，可以得到清晰的照片。但在浓雾情况下，还用红色滤光片，反而降低了照片的清晰度。

至此，我们知道：大气的散射可看做是大气（团块）对阳光向四面八方反射、折射或衍射作用的结果；当入射角等于布儒斯特角 a0（即反射光与入射光垂直）时。其反射光为线偏振光。因此，我们就不难理解下边各种情况：来自天空中跟阳光投射方向成直角方位的天空散射光， 具有偏振光的性能，而在其临近天空具有部分偏振光性能。特别是在天空愈蓝愈清澈、洁净、干燥，上述偏振光偏振化程度愈显著。所以，早晚时南北天空和天顶的蓝色天空的天光，基本为偏振光。但是，若是上述天空被云层遮敝，以至蓝天变得浑浊灰白时，散射光即失去其偏振性； 哪怕是正午来自地平线的天光，也会因微尘遍布，空气浑浊或穿过稠密的空气层而失去偏振性。

摄影中有时需要偏振光，但必须得消除或避免有害的偏振光。可以用偏振镜等仪器获得或消除偏振光；灵活运用天光的投射方向同样可以获得或消除偏振光。

1. 光有哪些效应？

光在传播过程中遵循一些规律，如：有线传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振、散射等。光在跟物体相作用时还会产生许多效应，如：光化、光热、光电、光的机械效应等。客观光度法就是用各种检测仪器代替眼睛来测光度学量。各种检测器就是分别利用不同的光效应原理制成的，光对眼睛，对胶片的作用都是光化作用；物体在吸收光时分发热， 这属于光热效应，这是个即普通又普遍的物理现象，根据这种现象可以发现和测量光的能量；金属表面受到光的照射而失掉电子的现象就叫做光电效应，光电管就是利用这种原理制成的；光电效应还表现出光压作用，把物体做成轻而易动的翼状，光照射翼片时，它就会转动。

我们了解了光与色的关系，光传播时所遵循的基本规律，光跟物质作用时产生的效应等。显然，生命是离不开光的，摄影工作者们离开光更是寸步难行。那么光到底是什么？

1. 光的本质是什么？

对光本质的认识是随着新知识与新事实的积累而改变和逐步深化的，下面简要介绍一下关于光本质的几种学说。①微粒说的内容是什么？它认为光是粒子流，它直接说明了光的直线传播定律，对光的反射

和折射能作一定的解释。但用其研究光的折射定律时，就会得出光在水中的速度比在空气中的速度还要大的错误结论。

②波动说的内容是什么？

它认为光是在弹性媒质中传播的机械波，这种学说能解释光的干涉、衍射现象，但不能解释光电效应。

③电磁说的内容是什么？

此理论认为光也是电磁波，并由后来的实验所证实。光波在电磁中

居波长较短的区域。光在真空中传播速度为 3×108m／s，用 c、ν、λ 分别表示光速、频率和波长，则 c＝νλ。这种理论仍不能解释光跟物质作用时的能量转换问题。

以上几种理论叫做经典理论，虽然都有很大的局限性，但它们在力所能及的范围内，不失简单、准确的特点，所以现在仍然被广范的应用着。例如，关于摄影镜头的成像问题，涉及最多的是几何光学方面的知识，经典理论对于光电效应，光的发射及吸收时能量转换问题是无能为力的，这在客观上就促进了新的理论的产生和发展——量子论和相对论等现代理论的出现。

④量子假说的内容是什么？

这种理论认为，各种频率的电磁波（含光波），只能象粒子似地以一定最小分额的能量发生，这种粒子叫做“能量子”，其能量正比于频率，这是光的发射问题。另外还有光的吸收问题如光电效应。实验证明， 在光照射下，金属表面可逸出电子，逸出电子的能量跟光的强度无关， 但与频率有关。

⑤爱因斯坦的假说内容是什么？

爱因斯坦发展了光的量子理论，提出如下假说：当光跟物质相互作用时，其能量并不像波动理论认为的那样，是连续分布的。此假说认为上述能流是集中在一些叫做光子（或光量子）的粒子上，但对这种粒子仍保持着频率及波长的概念。光子的能量正比于其频率ν即 E＝hγ，E 表示光子能量，h 为普朗克常数。

总之，到目前为止，还没有建立起来一个更完整，更深入地反映光的本性的统一的学说。

⑥为什么说光是物质的一种形式？

我们知道光有一定的传播速度，因此，说明它有一能量和动量。根据相对论的质能关系，光必然也有质量。其表示式为：能量 E＝mC2 动量 P＝ mc（对反射面施以压力）， c 为光速， m 为光子质量。因为光有质量，它必然有吸引别的物体的本领，故可推断它有重量（已被证实）。因为光有：质量、重量、传播速度，并能传递能量和动量等物质所具备的特征。因此说光也是物质的一种形式，但它又不同于一般物质。

光这种物质的特殊性是什么呢？普通物质无论是处于运动或静止状态，都具有一定的质量。而光的静止质量为“零”。简单说明如下，按

照相对论基本公式：m＝m0 ／ ，m为以速度v运动的粒子质 量，c 是光在真空中传播速度，m0 为粒子静止时质量。对光而言光子的传播速度就是光速即上式中的 v＝c。当 m0＝0 时，那么，E＝mc2，p＝E／c 也必然为零。这就说明，若光的静止质量为零时，光根本就不存在了， 也就是光被物质吸收了，这时物体发热或物质的内能以其他形式增大， 如使物质的原子（或分子）变成激发态（从基态变到激发态），因而使这些原子（或分子）有了发射光或加入化合反应的本领，也就是光能转变成了其他形式的能。动量（或冲量）变为零，说明光子的动量（或冲量）传递或转让给被光作用的物质了，这意味着物质的原子、分子、或由它们组成的物体获得了推力（压力），例如光的机械效应实验。

现代核物理学又发现一种特殊的现象。在原子核作用范围内，随着

光量子的消失，而产生一对电子——电子和正电子（电子对），正电子的质量跟电子质量相等，电量也相等，但符号相反，而原子核不变。已经证明这个电子对不是从光作用的物质的原子核中产生的。那么它就是由光量子转变而产生的（从光中产生）。也发现一种相反的变化，这个电子对一经结合，它们的电荷就互相中和而成为不带电的粒子，这粒子的质量、能量、传播速度跟光子相同，也就是说电子对转变为一对光子飞散出去。这种光子的频率比可见光的频率大一百万倍，所以它属于伦琴射线（或γ射线）区。