新發現——電磁波的結構模型及性質

摘要

光對於我們來說是神秘的存在，我們究竟該如何研究它？關於物理學，有理論和實驗兩個部分。實驗是以各種手段觀察現象，理論是為觀察到的現象做出合理解釋或推斷。針對電磁波的性質，以及對電磁波的研究中發現的各種規律，我們可以透過建立理論模型，來解釋電磁波的本質。本文從光的結構分析來解釋光的形成原理，以及生活中各種與電磁波有關的現象。建立光子模型，研究光的能量傳遞效應。並以光子模型解釋光的波動性、光電效應、光的偏振、化學反應發光原理等。引言中將對光的認知歷史稍作回顧，如已瞭解可以跳過。

關鍵詞：光，電磁波，正負電子對，能級，光電子交換

引言：

自古以來，光既是人們的信仰，又是人們研究的重點之一。我們生活在光裡，即使是漫天的黑夜，也有來自月亮的柔軟光暈和遙遠星空的輕微閃光。如今，我們還知道，即使在完全密閉的不透光房間，也有來自物體的輻射和宇宙的3K背景輻射。光是生命之源。

光的研究歷史悠久。根據文獻記載，我國在春秋戰國時代，墨翟便開始觀察光，那時候人們認識了光的簡單的性質，既：直線傳播、反射和折射。歐幾里得在《光學》中也有類似描述。但在我國古代，光學的研究僅僅萌芽，並未深入。真正開始研究光的性質的，是荷蘭數學家斯聶耳和法國的笛卡爾，他們發現了光的折射定律，嘗試用幾何來解釋光的性質。費馬於1657年完善反射定律和折射定律。之後哥里馬和胡克又觀察到了光的衍射現象，波動光學由此開始。十八世紀初，牛頓首次用三稜鏡實驗發現了光的色散，證明自然光是複合光，並發現牛頓環。牛頓環是光的波動性的有力證據，但牛頓更傾向於光的粒子說，所以直到十九世紀，英國醫生楊才利用光的波動性解釋了牛頓環，並用雙縫干涉實驗，首次驗證了光的干涉現象。英國人馬呂斯於1808年發現光在兩種介質面上反射時的偏振現象，菲涅斯和阿拉果在1819年提供了相互垂直的偏振光不相干涉的最終證明。英國科學家法拉第發現法拉第效應——即偏振光在磁場中的偏轉現象。麥克斯韋建立電磁場理論，認為光是一種電磁波。法國科學家索菲在1862年利用旋轉鏡法測量了光速。之後人們發現了光電效應，普朗克在此基礎上提出量子論，愛因斯坦同樣以量子觀念解釋了光電效應。至此，光學理論基本成型。現代科學又測量出各種光的波長，並發現正負電子對可以產生光子，以及光子可以產生正負電子對。但對於光子結構，目前仍未給出合適的模型。

總結光的特性，有以下幾點：直線傳播、折射、反射、散射、干涉、衍射、偏振、光電效應等。

本文將提出光子理論模型，並以此為基礎，來解釋以上光的各種性質，並解釋能量輻射的過程。

電磁波的理論模型：

電磁波是一對以光速傳播的互繞正反電子對，下面以光子形式來討論電磁波。

進入主題，首先來看一下光子模型，如圖所示：

圖（1）光子模型

1、 光子形態：

光子是一對互相旋繞的正負電子對。這裡用γ表示。

2、 光子形成的原理：

一對正負電子，在相互靠近時，電引力勢能坍縮轉化為動能，到達某一極限值後，形成光子，並以光速沿某一方向運動。剩餘能量內斂為互繞速度，表現為波動性。

3、 光子的結構：

光子是相互環繞的正負電子對，正負電子自旋相同，由於磁矩作用，正負電子互繞面與磁矩方向垂直。如上圖（1）所示。

4、光子的性質：

1）電中性：正負電荷相互抵消，表現為電中性。

2）磁中性：磁矩相互抵消，表現為磁中性。

3）互繞性：光子中的正負電子對互繞運動，互繞速度越快，能量越高，表現為光的頻率越高，正負電子對越容易分離。

4）電子交換：光子極易與電子反應，產生新的光子和新的電子。能量輻射是以電子交換的形式實現的。

5、光子的生成：正負電子對湮滅產生光子。

（e+） + （e-） → γ

6、光子分解：

光子吸收能量，可以使正負電子對脫離互繞運動，恢復勢能。如高能光子相互作用，生成一對正負電子，以及一個低能級的光子：

γ + γ → ↓γ + （e+） + （e-）

7、光子的電子交換：

1）光的降頻反應：高能級光子靠近低能級電子時，光子中相反電性的電子機率性與低能級電子結合，形成一束低能級光子和一個高能級電子。

γ + （↓e-） → ↓γ + （↑e-）

γ + （↓e+） → ↓γ + （↑e+）

2）光的升頻反應：低能級光子靠近高能級電子時，光子中相反電性的電子機率性與高能級電子結合，形成一束高能級光子和一個低能級電子。

γ + ↑e- → ↑γ + ↓e-

γ + ↑e+ → ↑γ + ↓e+

對現實世界的解釋：

前面介紹了電磁波的理論模型。根據以上模型，我們可以來解釋電磁波的外顯性質：

1、光電效應

光電效應是指，在高於某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流，即光生電。

光電效應的光電子交換解釋：一束高能級光子，光子中電子能量高於原子外層電子能量，光子與原子外層電子足夠接近時，發生電子交換，光子吸收原子外層的低能級電子，釋放一個高能電子。釋放的電子能量足夠高時，會脫離原子核形成自由電子，產生放電現象。

2、光偏振

光的偏振是指光的電向量偏振，光波電向量振動的空間分佈對於光的傳播方向失去對稱性的現象。光有三種偏振：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光。

光偏振的互繞性解釋：互繞運動的電子對，當互繞面平行於電磁波方向時，表現為線性偏振光；當互繞面垂直於電磁波方向時，表現為圓偏振光；當互繞面與電磁波方向存在不垂直的夾角時，表現為橢圓偏振光。

3、 法拉第效應

法拉第效應是指，當一束平面偏振光透過置於磁場中的磁光介質時，線偏振光的偏振面就會隨著平行於光線方向的磁場發生旋轉。

法拉第效應的電子交換解釋：磁光介質處於磁場中，由於電子自旋的磁矩作用，電子自旋方向會與磁場方向平行。線偏振光中，正負電子對互繞面與電磁波方向在同一平面，故正負電子對的自旋方向與磁場方向垂直。此時偏振光捕獲電子形成新的光子，由於正電子與捕獲的電子自旋方向垂直，在磁矩作用下發生扭轉，新光子正負電子對會以新的互旋平面相互旋繞，與原互旋平面形成法拉第旋轉角。

4、 化學反應光

部分劇烈的化學反應，會發出光。以氫氧燃燒反應為例，氫氧原子發生化學反應時，氧原子中的電子，因被氫原子中質子捕獲而被激發，躍升到高能級，處於高能級的電子捕獲低能級電磁波（如宇宙微波背景輻射中的電磁波），產生高能級光子，和低能級電子。電子能級變低仍舊被質子束縛，高能級光表現為可見光。

5、反射、干涉、衍射等現象，同樣可以利用光的互繞波動來解釋。此處不再贅述。

光的電子交換是實現能量傳遞的最重要的方式，由於宇宙微波背景輻射的普遍存在，物質時刻在進行著與光子的電子交換。假如完全遮蔽電磁波，在不考慮其他熱輻射形式的影響下，物體能量應當保持不變。

結語：

以上即使電磁波理論模型的全部內容，在此模型下，可以有效的解釋很多自然現象，也可以衍生出許多新理論，期待有更多人參與。感謝您的耐心觀看，願有所成！