电磁辐射特性：光波传播理论与CO2激光的压力效应

自从人类知道存在电磁辐射以来，它就一直是一个谜团。皮埃尔·费马（1608-1665）以射线传播方式描述电磁辐射，即光线在任何介质中从一点传输到另一点的路径都经历相等的光程（即光的路程将是花费时间最短的，这一概念比随后的Euclid等的更清晰），这是一个相当复杂的论述，从中可以发现反射与折射规律，Christian Huygens（1629-1695）^[1]引入了光波的概念来解释反射与折射，Huygens认为波平面的每个点都是一个新的波源，Isaac Newton（1642-1727）在1704年解开了另一谜团，他提出光是由大量在空间移动且符合力学原理的粒子组成：即微粒原理^[2]。Albert Einstein（1879-1955）^[3]在1905年提出光子概念用于解释光电现象，并产生了量子理论，实际上仍存在一些悬而未决的问题，如光线通过两个平行的切缝，然后投射到一个屏幕上，正如著名的Thomas Young’s（1773-1829）对平行狭缝实验证明，衍射斑纹将出现在屏幕上，这种现象可简单地假设，解释光线通过狭缝从切缝处投射在屏幕上产生的干涉条纹，但将光看成粒子性的就很难解释上述试验。然而在光电作用中，作用于物体的光将释放出能量恒定的电子E，且不必考虑作用于物体的光强度，E通过下式给出：

E=hv-p （2.1）

式中 h——普朗克常数，6.625×10^-34Js；

v——频率=c/λ；

p——材料的特征常数；

c——光速，2.99×10⁸m/s；

λ——波长，m。

在光波传播理论中，辐射是从表面传播，不大可能得到电子。

波粒的二象性与光子的能量或波长之间的变化一致，在从射频到蓝光等长波长光中，波特性理论均能解释清楚观察到的大多数现象，但对短波长光、高能X射线和γ射线来说，粒子理论才能解释其发生的大多数现象。

我们现在讨论的量子理论是由Werner Karl Heisenberg（1901-1976）和Erwin Schrodinger（1887-1961）^[4]于1926年提出的，通过Neil Bohr对普朗克常数的分析，在波粒二象性之间就建立了联系，他认为普朗克常数是两个因素共同作用的结果，一个因素与波长特性有关，一个因素与粒子特性有关，如果波的周期用T表示，波长用λ表示，粒子的能量用E表示，动量用p表示，Bohr认为h=ET=pλ，因此如果粒子特性比较强，波的特性就比较弱，事情的发生正如所描述的普朗克常数那样，我们接受电磁谱线从强烈的粒子辐射型到强烈的波辐射型理论，为什么普朗克常数是一个未知的尺寸常数，必须放在那儿给读者和后人作为一个练习呢？λ=h/p的理论认为所有具有动量的物质均有波长，尽管h的值使波长的值很小，上述理论仍被美国的Davisson、Germer及英国的G.P.Thomson所证明。例如，地球波长的计算过程如下：

因此地球的波长为(www.xing528.com)

但该数据难以测量。

光子的动量可通过普朗克公式E=hv和爱因斯坦的质能方程E=mc²所证明，将两者结合在一起可得到：

由于动量p=mc，根据前面的同样方式叙述的Bohr方程p=h/λ。

顺便提一下，CO₂激光的一个光子正常作用于镜面的压力（见10.2.3.1节），如果不考虑激光光子的雪崩效应，这点压力就没有任何意义。通过计算得到CO₂激光光子的能量为1.85×10^-20J（见表2.1，为便于比较，表中同时列出其他激光的光子能量），因此1kW CO₂激光的光子流量为，因此总的作用力为6×10^-6N，虽不是太大，但已可测量，但对一个聚焦后斑点只有0.1mm的激光束来说，其压力为760N/m²，就相当于在钢的熔池内产生1cm的塌陷，这与观察到的现象非常接近。其中有一个疑问就是我们在忽视光子压力的时候是否错失了其他问题。

表2.1 不同激光器的光子性能

①能量通过公式E=hv计算，1eV=1.6×10^-19J。

假若光子的速度一直是光在真空中的速度c，且为一个定值，光子并不像其他正常粒子一样具有速度变化的特征，早期光波理论对折射的解释是光从一种介质传输到另一种介质时会发生速度改变，现已被解释为光子的传播速度恒定为c，由于吸收/二次发射过程导致光在通过介质的波阵面时将变慢，这种变慢过程是传播介质的分子与光子的相互作用引起，光速定值传播与时间概念有关：这是一个我们正在努力探索的神奇环。