11.光的波粒二象性.docx

光的波粒二象性

爱因斯坦多次强调：“物理学的目前局面可以概括如下：有一些现象可以用量子论来解释，但不能用波动说来解释，光电效应就是这样一个例子，此外还有已被发现的其它的例子.又有一些现象只能用波动说来解释而不能用量子论来解释，典型的例子是光遇到障碍物会弯曲的现象.还有一些现象，既可用量子论又可用波动说来解释，例如光的直线传播.到底光是什么东西呢？是波呢，还是光子“雨”呢？我们以前也曾经提出过类似的问题：光到底是波还是一阵微粒？那时是抛弃光的微粒说而接受波动说的，因为波动说已经可以解释一切现象了.但是现在的问题远比以前复杂.单独的应用这两种理论的任一种，似乎已不能对光的现象作出完全而彻底的解释了，有时得用这一种理论，有时得用另一种理论，又有时要两种理论同时并用.我们已经面临了一种新的困难.现在有两种相互矛盾的实在的图景，两者中的任何一个不能圆满地解释所有的光的现象，但是联合起来就可以了！怎样才能够把这两种图景统一起来.我们又怎样理解光的这两个完全不同的方面呢？要克服这个新的困难是不容易的.我们再一次碰到一个根本性问题.我们以前问过，光是什么？它是一阵波还是一阵粒子？现在我们又要问，电子是什么？它们是一阵粒子还是一阵波？电子在外电场或外磁场中运动时的行为像粒子，但在穿过晶体而衍射时的行为又像波.对于物质，我们又遇到了在讨论光子时所遇到的同一困难.”

爱因斯坦关于光的新理论，在哲学上从两个方面说来是重要的：其一，证明了普朗克在热辐问题上发现的量子现象并非是辐射现象所特有，而在一般物理过程中都有表现.这样，由于普朗克的发现而动摇了的旧的形而上学观念，即大自然不作飞跃的观点彻底垮台了.其二，爱因斯坦的研究结果，揭示了光的两重性.原来光既是微粒，又是波动.于是，光的辩证矛盾得以证实.爱因斯坦的发现使惠更斯和牛顿彼此对立的光学理论统一起来，在更高一级上成为天才的假说.

普朗克和爱因斯坦的理论揭示出光的微粒性，但并不否定光的波动性，因为光的波动理论早已被干涉、衍射等现象所完全证实.这样，光就具有微粒和波动的双重性质，这种性质称为光的波粒二象性.

在物理学中，对于光子可以用两个重要的公式进行描述，即λ＝h/Ρ＝h/mc与ε＝mc²＝hν，其中各符号的物理意义分别是：c为光速，λ为光子的波长，ν为光子的频率，m为光子的动质量，ε为光子的能量，Ρ为光子的动量（mC）.且其中c、λ、ν的关系有：c＝λν.这两个公式的发现应归于普朗克和爱因斯坦.1924年，法国青年物理家德布罗意（￡.debroglie），凭其独创精神把这两个公式推广到光子以外的实物粒子，认为质量为m，并以速度V运动的粒子，也有一定的波长λ和频率ν与之相应，这些量之间的关系也与光子的情况类似：Ρ＝mV＝h/λ，E＝mc²＝hν，或用相对论关系表示为：λ＝h/Ρ＝h/mυ＝h（1-υ²/c²）^1/2/m₀υ，ν＝E/h＝mc²/h＝m₀c²/h（1-υ²/c²）^1/2，其中，E为粒子的总能，m₀为粒子的静质量，Ｐ为粒子的动量，C为光速，ν为粒子的频率等等.这种理解应该是公认的.德布罗意波公式后来为电子等粒子的衍射实验所证实，并且成为量子力学发展的基础，这也是物理学史的事实.最早验证德布罗意公式的实验是于1927年戴维孙（C.J.Davisson）和革未（L.H.Germer）做的电子在镍单晶体上的衍射实验.实验中安排Φ＝65°.当加速电势差为Ｕ＝54V时测得出现电子流的峰值.镍的晶格常数d＝9.1×10^-11（m）用布拉格公式：zdsinφ＝kλc（k＝0，1，2，3……）求得波长λ＝1.65A这与用德布罗意的波长公式λ＝h/P＝h/mυ＝h（1-υ²/c²）^1/2/m₀v＝h/（2em₀u）^1/2求得的λ＝1.67A很接近.

爱因斯坦说：“按照麦克斯韦或任何一种关于光的波动理论，一个点光源发出的一束光的能量，可以分成任意小的部分，连续地分布在一个不断增大的体积之中.我们不能从光的波动说中推出为什么光照射在金属上打出的电子的能量和光的强度无关.因此，我们就试用其他理论.我们假定单色光是以光速c穿过空间的能量的粒子组成，它们是能量的最小单元，我们把它们叫光量子或光子.各种波长的光有各种不同的光子^【5】.整整50年有意识的思考，还没有使我更接近光量子是什么的答案，当今许多人认为他们知道答案了，其实他们是欺骗自己.我坚定地相信，有人会找到比我的命运所能找到的一种更加符合实在论的方法，说得妥当点儿，是一种明确的基础.^【1】现在有两个光理论，都必不可少，而且，尽管20年来理论物理学家在这方面付出了巨大的努力，我们今天还是必须承认，还没有发现它们之间有任何逻辑联系.^【2】”

威切曼：当我们考虑光波时，自然会问，是什么东西在振动.一个十九世纪的物理学家会说，是以太在振动.今天，我们夸张地谈到真空，表明我们对波在其中传播的介质缺乏兴趣.当我们研究光波或德布罗意波时，我们不再提问：是什么样的东西在真正地振动？^【3】阿尔明·赫尔曼：在爱因斯坦看来，物理量尤其是能量的连续分布，是根本站不住脚的一种虚构^【4】.

简明不列颠百科全书：波长单一的单色光实际上并不存在，一定波长的光，总是包含一定的波长范围.注：从波长或频率不同的光已知就有成百万种看，hf或光子有成百万种.从成百万种光可以互为原料互相转化看，一般的hf或光子不可能是能量的最小单元.可以查明，只有与单位频率f'相对应的hf'或光子，才是能量的最小单元.唐孝威：包括所有的电磁辐射在内的广义的光，都是光子流^【6】.

注：光子假说不能回答光为何存在被称为频率和波长的现象？为何存在普朗克常数h和速度常数c?

参考文献

【1】阿伯拉罕.派依斯著，方在庆等译《上帝难以琢磨》p443-p444广东教育出版社

【2】阿伯拉罕.派依斯著，方在庆等译《上帝难以琢磨》p480广东教育出版社

【3】威切曼.量子物理学.北京：科学出版社，1978.484~485.

【4】阿尔明·赫尔曼.量子论初期史.北京：商务印书馆，1980.53；54.

【5】爱因斯坦，英费尔德.物理学的进化.上海科学技术出版社，1962.190~193.

【6】唐孝威.同步辐射及其应用.北京：人民教育出版社，1986.1~2.