光源的类型和发光机理分析及其物理意义

作者：彭晓韬

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[文章摘要]：光是人类观察世界的主要媒介，也是近代物理出现诸多奇谈怪论的根源所在。把光的产生机理和光源类型搞清楚，将直接决定近代物理的发展方向。本文就从光源的类型和发光机理入手，将光的本质及光与介质相互作用规律作为研究重点，以利于纠正目前基础物理方面的诸多错误，让物理学回归正途。

一、光源的类型分析

光的本质只是电荷产生的电场和磁场。因此，光源的类型与电荷的分布与运动及变化方式直接相关。对光源的分类方法也很多，主要可以按电荷的分布情况、电荷随时间变化规律等进行分类。

1、按光源的组成方式分类

可分为二种：单电荷光源，多电荷光源。目前人类所遇到的几乎都是多电荷光源；

2、按光源的发光方式分类

可分有三种：一是自发光光源；二是被动发光光源或称作强迫发光光源；三是复合光源。

1、自发光光源：物体产生的所谓的黑体辐射或温度型电磁辐射就属于自发光型。它遵循普朗克黑体辐射公式所描述的频率与辐射强度关系。即辐射强度峰值所对应的频率由物体的温度决定；辐射频率为连续频率谱；辐射强度与频率间的关系为类似的正态分布。详见下图所示：

2、强迫发光光源：当外电场和磁场迫使电荷改变运动状态，或外来光照射到介质上时，电荷在外电场和磁场或入射光的作用下，其中的原子中的电子和原子核会朝相反的方向改变运动状态，从而导致原子被极化为与入射光主频相近的时变电偶极矩之电偶极子并产生所谓的反射、散射、折射、透射、衍射和绕射等次生光。由于被入射光极化的原子的电偶极矩变化与入射光主频相近，其产生的次生光的主频也与入射光相近，但相位会相差半个周期。而入射光在此过程中会被次生光所逐渐抵消而消失。因为次生光与入射光的相位相差半个周期，两者相互叠加的结果将相互抵消一部分电场和磁场的强度。这也是反射光存在半波损失的根本原因所在。

3、混合发光光源：由于任何物体的温度均不可能为绝对零度，因此，它们都会在不停地发光（温度较低时产生的光主要为不可见光，一般温度大于500度时才能产生可见光）。当物体在外来光源照射环境下时，就会成为即自发光，还产生次生光的复合光源。地球表面上的物质在太阳光照射下都是这类复合光源。只有当太阳下山后，天黑下来了，地面物体才成为了自发光物体了。

二、光的产生机理分析

当以观测者或测量装置为参照物时，电荷的运动状态和电荷群的组成与运动方式直接决定了观测者所处位置上的电场和磁场。

1、单电荷发光

1.1、静止电荷：产生恒定电场，无磁场；

1.2、匀速直线运动电荷：产生强度/方向均连续变化的电场和磁场；

1.3、固定点圆周运动电荷：固定点为观测者或测量装置所在位置时，产生恒定振幅但方向周期性变化的电场和磁场；固定点为非观测者或测量装置所在位置时，产生振幅和方向均同期性变化的电场和磁场；

1.4、其它运动方式电荷：产生振幅和方向均与相对观测者或测量装置的运动方式有关的变化的电场和磁场。

2、多电荷发光

由于电荷产生的电场和磁场遵循矢量叠加原理，因此，在多电荷条件下，观测者或测量装置会测量到每个电荷产生的电场和磁场的叠加场。只是因为电场和磁场存在传递速度有限的特点，在多电荷情况下，不同空间位置上产生的电场和磁场到达观测者或测量装置时会存在滞后性，它们的叠加需要消除这类时差。

3、原子的发光

由于客观世界基本上是由近百种不同元素组成的原子组成的，因此，在现实中的光源一般都是由原子作为最基本的光源单位的。也就是每个原子都是一个发光单元。

3.1、原子的自发光

3.1.1、单个原子的自发光：其产生的电场和磁场与其热运动过程中与相邻原子往复碰撞的行程、频率及方向直接相关。原因是：原子在与相邻原子相互碰撞过程中，电子与原子核的运动并不同步，从而形成与碰撞频率同步的电偶极矩并产生电偶极子电场和磁场。如下图所示：

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