书城教材教辅元素与光
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第14章 光(2)

瑞利散射定律并非在任何物质中都适用,有些物质的散射也不遵循瑞利定律,散射光强与微粒大小和形状有复杂的关系。除了瑞利,还有很多科学家在散射方面做出了巨大的贡献,他们逐渐挖掘出散射其他方面的内容,这些内容包括:用白光照射由大颗粒组成的散射物质时,散射光仍为白光;气体马上就要发生液化时,密度涨落的微小区域变得比光波波长要大,这种情况与大粒子的情况相同;由大粒子产生的强烈散射会让原来透明的物质变得混浊,这种情况就是我们通常说的临界乳光。

总之,在众多科学家的努力下,光的散射不再是未知数,人类已经认识了它,并会充分利用它为人类服务,相信它能给人类创造更多的财富。

光的干涉

光的干涉指的是什么呢?很多人对这个问题可能都会产生疑问。光的干涉指的是两束或两束以上的光波在特殊的条件下会产生重叠,这时重叠区的光强度与各束光的强度之和不相等。知道了光的干涉,那么让我们来了解一下光的干涉产生的条件。

(1)各束光的频率相同。

(2)各束光的振动间在每个点上有固定的相位差,即各光源间有固定的相位关系。

(3)叠加点各束光向的振动有大致相同的振动方向。

干涉产生的三个条件就是我们通常说的相干条件,满足这个条件的光源和光波分别称为相干光源和相干光,这是干涉的三个基本概念。

一般来说,光源与光源之间存在着各自发光的随机性,因此它们之间不可能有固定的相位关系,所以大多数的光波都不是相干光,光的干涉这种光学现象也不会产生。光源与光源叠加时的总光强与两束光单独存在时的光强之和相等,这种情况称为非相干叠加。

那么怎样来制造干涉呢?把从同一光源发出的光波分成两束,让这两束光波分别经过不同的光程,然后再把它们叠加起来。在这样一种情形下,叠加点上的两束光波振动间的相位差由光程差来决定,因此光的干涉就很容易实现了。

分开光束可以采用不同的方法,根据分开光束方法的不同,可把干涉分为分波干涉和分振幅干涉两类:前者是借助光学装置将同一入射波分割成两部分,后者是利用光在界面上的反射和折射将同一入射振动分成两部分。按照光源的不同,可将干涉分为非定域干涉和定域干涉两类:如果光源是点光源,那么在重叠区的任何地方都能观察到干涉,这种干涉称为非定域干涉;如果光源是扩展光源,则只能在重叠区的特定区域观察到干涉,这种干涉称为定域干涉。

一切波都会产生干涉,这是波的共性,光会产生干涉证明了光其实是一种波,这就为光的波动性提供了有利的证据。现在光的干涉原理被广泛运用到工业上,它对仪器的检测和全息照相等技术提供了支持,它在工业领域发挥了重要的作用。

光合作用

我们的自然界是由植物、动物以及其他生物组成的世界,在这众多的生物当中,植物对于生物界的平衡起到了至关重要的作用,可以这样说,没有植物的存在就没有生物的共存。

植物与动物的生存方式不同,它吸收二氧化碳和水,并分解出蛋白质、脂肪和糖类。不过要完成这个转换,有一种能量很重要,那就是太阳光,绿色植物利用太阳光来完成这个复杂的化学过程。绿色植物利用太阳光把二氧化碳和水转变成化学能,这样的一个过程就是我们通常所说的光合作用。1845年,德国化学家迈尔最先发现植物这种特殊的能量转换方式。迈尔是一位卓越的科学家,他最早提出了能量守恒定律。

18世纪,英国生理学家黑尔斯提出了一个新的观点,他认为植物利用空气来制造所需的物质。50年之后,荷兰医生英根—洛斯通过实验找到了光合作用的端倪,即空气中的营养成分是二氧化碳,光对植物的能量转换至关重要。英国化学家普里斯特利通过实验也证实了绿色植物会制造氧气。

通过这些科学家的努力,光合作用的过程已经比较清楚。这个过程大致如下:在太阳光的照射下,植物摄取二氧化碳,它把二氧化碳与水化合,然后释放出氧气,同时制成机体的组织。植物对地球上生物的能量转换起到了很重要的作用,根据相关人员的统计,现在地球上的绿色植物每年能利用二氧化碳中的1500亿吨碳和水中的250亿吨氢,最后释放出4000亿吨氧,这成为生物呼吸的氧气的来源。这4000亿吨氧有10%是由陆地绿色植物制造的,另外90%则是由海洋内单细胞植物和海藻制造的。

下面我们来介绍一下光合作用的过程,光合作用的过程可分为三个步骤:

(1)植物吸收太阳光。太阳光被植物体内的叶绿素、类胡萝卜素等色素吸收和利用,其中叶绿素是这些色素中最重要的一部分,它同时也是光合作用的主要力量。1817年,法国科学家佩尔蒂埃把叶绿素分离了出来。1865年,德国植物学家萨克斯发现了叶绿体,并在叶绿体中发现了叶绿素的存在。1954年,美国生物化学家阿诺恩得到了完整的叶绿体,这种叶绿体能直接进行光合作用,它是从菠菜叶子中提取出来的。太阳光的传递是以诱导共振方式进行的,它与声学的共鸣有类似之处。当两个颜色相近的色素分子相互接近时,光能的传递就能实现。最后,植物将吸收到的光能汇集到叶绿素中,叶绿素对光能加以作用。

(2)植物将光能转化为化学能。叶绿素将光能与水结合分解为氢原子和氧原子,在这个化学反应过程中,叶绿素起到的是催化的作用,这种作用就是光分解作用。太阳的辐射能转化为化学能,氢分子和氧分子所含的化学能比产生它们的水分子所含的化学能要多。我们都知道,要让水分子分解为氢和氧,那就必须通电或加温,让水温达到2000℃,叶绿素在常温下就可以做到这一点,而且它利用的是阳光的能量。植物利用光能的效率非常高,这个效率在30%~100%,浪费是非常少的,光合作用是一个多么奇特的过程。

3.使二氧化碳变成有机物质。这个过程其实就是二氧化碳的同化过程,这个过程很复杂,是一个比较大的循环,也就是人们通常说的光合碳循环。人们对这个循环的某些细节还不是很清楚,人们只知道在这个循环中,不但可以形成碳水化合物,而且还有氨基酸、有机酸等物质生成,最后还有蛋白质和脂肪等物质生成。

总之,光合作用是植物进行的一个能量转换过程,这个过程对生物的生存起到了至关重要的作用,它是我们呼吸的氧气的来源。因而,我们在日常生活中应该对植物加以保护,只有这样才能实现人类与环境的友好共存。

显微镜

显微镜是用于放大微小物体,使微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。显微镜有光学显微镜和电子显微镜两种。1590年,荷兰的杨森父子发明了光学显微镜。光学显微镜在发明之后得到了很大的发展,现在的光学显微镜可以放大1500倍,用它能看到0.2微米的物体。光学显微镜有很多种类,主要有暗视野显微镜和荧光显微镜两种。暗视野显微镜具有暗视野聚光镜,它使照明的光束不从中央部分射入,而从四周射向被观察的物体;荧光显微镜则以紫外线为光源,使被照射的物体发出荧光。1931年,德国的克诺尔和哈罗斯卡在柏林将电子显微镜装配完成。这种显微镜与光学显微镜有所不同,它用高速电子束代替光学显微镜中的光束。由于电子流的波长比光波短得多,因此电子显微镜可以放大80万倍,用它能看到0.2纳米的物体。1963年之后,电子显微镜得到了广泛的运用。

显微镜是一项伟大的发明,它让人类见到了许多微小的生物,比如细菌和病毒等。人类通过使用显微镜还看到了生物的许多微小结构,如生物的细胞和线粒体的结构等,这就极大地促进了生物学的发展。显微镜除了在生物学领域发挥作用外,还在医学和工农业生产中发挥了重要的作用,比如对人血液中的红细胞进行计数等。

显微镜有光学显微镜和电子显微镜两种。光学显微镜就是利用光线为光源,经过光学透镜聚焦后使物体形成物像,从而对物体进行观察的一种光学仪器。光学显微镜一般简称为LM,依据光学显微镜成像的过程和构造的复杂性,可将光学显微镜分为简易显微镜和复式显微镜两种。

(1)简易显微镜。简易显微镜是由一个或一组透镜组成的光学显微镜。这种显微镜具有自己的特点,那就是焦距较短,在进行观察时,人的眼睛要尽可能地接近透镜,透镜要尽可能地接近被观察的物体。简易显微镜产生的物像不够准确,它的放大倍数一般不会超过20倍,所以在进行科学实验时很少有人会用到这种显微镜,只有在进行简单的操作时人们才会使用它。

(2)复式显微镜。复式显微镜是由两个或两组透镜组成的光学显微镜。这种显微镜一般放在实验室内,它的作用是供人观察生物标本,我们经常见到的显微镜就是这种类型。这种显微镜有两组透镜,一组接近被观察物体,我们称之为接物镜或简称物镜;另一组则接近眼睛,我们称之为接目镜或简称目镜。根据复式显微镜的功用和使用目的的不同,复式显微镜又可以分为立体显微镜和普通光学显微镜两种。

立体显微镜。如果观察不透明的物体或生物标本的外部形态,那么人们通常使用立体显微镜。这种显微镜受到光源、景深和其他成像因素的影响,一般来说放大倍数不会超过60倍,它的成像效果相当好。

普通光学显微镜。我们通常看到的都是普通光学显微镜,它主要是用来观察透明或近乎透明的物体。这种显微镜对被观察的物体有着较高的要求,用它可以对简单的低等生物进行观察,但是其他生物必须切成薄片,制作成临时或永久切片后观察才可以进行。普通光学显微镜使用的光源有穿透标本的作用,因此生物体的器官组织结构或生物细胞的内部构造可以用它来进行观察。

电子显微镜的光源是波长极短的电子束,经电磁透镜聚焦后可以看到极小的物体,扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜是目前常用的两种电子显微镜。电子显微镜的简称是EM,根据电子显微镜成像的过程和构造的复杂性,可将电子显微镜分为扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜两种。由于这种显微镜我们平常很少用到,这里就不再一一介绍。

扫描仪

扫描仪是办公室常用设备之一,它能够把图像资料输入计算机,然后在电脑上对这些图像资料进行操作。图片、照片、胶片、图纸图形以及各类文稿资料都可以通过扫描仪输入计算机,由于扫描仪可以让电脑识别图像资料,所以有人说它是计算机的眼睛。通过对相关资料的研究,我们知道扫描仪在文档资料的处理方面应用最广泛,扫描仪可以与其他办公设备结合处理各种文档资料。

按照不同的标准,可以将扫描仪分成不同的种类。按照扫描原理,可以将扫描仪划分为平板式扫描仪、手持式扫描仪和滚筒式扫描仪;按照扫描图像的幅面大小,可以将扫描仪划分为小幅面扫描仪、中幅面扫描仪和大幅面扫描仪;按照扫描图稿的介质,可以将扫描仪划分为反射式扫描仪、透射式扫描仪和多用途扫描仪;按照用途,可以将扫描仪划分为通用扫描仪和专用扫描仪。平板式扫描仪和A4幅面扫描仪是现在办公室最常用的两种扫描仪,下面对扫描仪的几个常见类型介绍一下。

(1)手持式扫描仪。1987年,手持式扫描仪出现。手持式扫描仪在出现之初运用非常广泛,现在则见不到这种扫描仪的踪迹。手持式扫描仪具有很多缺点,它扫描的幅面非常窄,很难捕获精确的图像,扫描效果也极其不佳。由于手持式扫描仪具有太多缺点,1996年以后,扫描仪生产厂家已经不再生产这种扫描仪。

(2)馈纸式扫描仪。馈纸式扫描仪还有一个名字,那就是胶片扫描仪,它的光学分辨率比较高,能够满足普通用户的需要,比它更高精度的产品是专业级的产品,普通用户很少购买。

(3)笔式扫描仪。我们通常所说的扫描笔就是笔式扫描仪,这种扫描仪的外形与一般的扫描仪不同,它与一支笔相似,扫描宽度大约与四号汉字相同,使用时,贴在纸上一行一行地扫描,主要用于文字的识别。

(4)条码扫描仪。条码扫描仪又有条码阅读器、笔式扫描仪之称,它有许多种类,其中有一种和笔式扫描仪的外形非常类似。条码扫描仪的功能比较窄,它只能用于条码的扫描识别,文字和图像用它来扫描都不能识别出来。

(5)实物扫描仪。实物扫描仪的结构原理与数码照相机的结构原理非常类似,它有支架和扫描平台两个组成部分,它的分辨率比现在市场上常见的数码照相机的分辨率要高很多。

(6)3D扫描仪。3D扫描仪是一种全新的扫描仪,它的结构原理与以往的扫描仪有很大的不同。3D扫描仪生成的文件是一系列坐标数据,这一系列坐标数据能够精确描述物体的三维结构,将这一系列坐标数据输入3DMAX中,就可以得到完整的还原出物体的3D模型。

扫描仪的发明经过了一段很长的时间,在扫描仪还没有发明的时候,人们面对一些档案、美术图形等总是束手无策。困难给了人们解决问题的动力,人们总是在思考着:如果能将档案和美术图形储存到计算机里,然后再进行必要的修改和处理,那就是多么美好的一件事情。