光是电磁波

       一提到光，人们会立刻联想到太阳光和电灯光。光是一种电磁波，太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光范围内的电磁波的混合体。与此相反，光纤通信使用的激光器发出的光则是单色光，具有极窄的光谱宽度。点光源是只有几何位置而没有大小的光源。在自然界，理想的点光源是不存在的，但是对于均匀发光的小球体，如果它本身的大小和它到观察点的距离相比小得多，我们就可以近似地把它看作点光源。激光器发出的光也可以看作是点光源。光线是光向前传播的一条类似几何线的直线。有一定关系的一些光线的集合叫光束。

       光具有两种特性，即波动性和粒子性，下面分别加以介绍。

光的波动性——麦克斯韦预言存在电磁波

       麦克斯韦电磁学论文《论法拉第力线》的诞生过程。

       英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerkMaxwell，1831—1879年）的电学研究始于1854年，当时他刚从剑桥大学毕业不过几星期，读到了法拉第的《电学实验研究》，立即被书中新颖的实验和见解吸引住了。当时人们对法拉第的观点和理论看法不一，有不少非议。原因之一就是法拉第理论的严谨性还不够，法拉第是实验大师，有着常人所不及之处，唯独欠缺数学功力，所以他的学术创见都是以直观形式来表达的。一般的物理学家恪守牛顿的物理学理论，对法拉第的学说感到不可思议。在剑桥大学的学者中，这种分歧也相当明显。汤姆逊也是剑桥大学里一名很有见识的学者之一，麦克斯韦对他敬佩不已，麦克斯韦特意给汤姆逊写信，向他求教有关电学的知识。汤姆逊比麦克斯韦大7岁，对麦克斯韦从事电学研究给予过极大的帮助。在汤姆逊的指导下，麦克斯韦得到启示，相信法拉第的新论中有着不为人所了解的真理。他认真地研究了法拉第的著作后，感受到力线思想的宝贵价值，也看到法拉第在定性表述上的弱点。于是这个刚刚毕业的青年科学家抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。

       1855年麦克斯韦发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第力线》。7年后，年仅31岁的麦克斯韦就从理论上科学地预言了电磁波的存在。1873年出版的《论电和磁》，把电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来，这些数学表达式经赫兹整理和改写，成为经典电动力学的主要基础——麦克斯韦方程组。因此，《论电和磁》被称为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部极为重要的物理学经典。

       1864年，麦克斯韦（Maxwell）通过理论研究指出，和无线电波、X射线一样，光是一种电磁波，光学现象实质上是一种电磁现象，光波就是一种频率很高的电磁波，光波是电磁波谱的一个组成部分，如图2.1.1所示。

图2.1.1电磁波频率与波长的换算

       英国物理学家麦克斯韦完成了19世纪最美妙的科学发现——电磁场理论，并预言了电磁波的存在，他的理论预言得到了赫兹的实验证实。人类的无线电技术，就是在电磁场理论的基础上发展起来的。

       利用它的波动性可解释光的反射、折射、衍射、干涉和衰减等特性。单频光称为单色光，在均匀介质中，可用麦克斯韦波动方程的弱导近似形式描述，即