淺議光和物質(zhì)的波粒二象性

歐陽義忠

摘 要：光的本性的研究伴隨著整個(gè)基礎(chǔ)物理的發(fā)展，光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象表現(xiàn)出的光的波動(dòng)性質(zhì)，以及光電效應(yīng)等光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象中表現(xiàn)出的光的粒子性，歷時(shí)三個(gè)多世紀(jì)的波動(dòng)說和微粒說的爭論，最終被光的波粒二象性的觀點(diǎn)所代替，為微觀粒子波粒二象性的提出打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。愛因斯坦提出的光同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性，并且由密立根、康普頓在實(shí)驗(yàn)中給予證明。玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上，提出了解釋原子中電子行為的理論，建立了早期的量子論，但是卻只能解釋氫原子、類氫原子，具有很大的局限性。在前人的基礎(chǔ)上，德布羅意獨(dú)創(chuàng)性地由光的波粒二象性類比出物質(zhì)具有波動(dòng)性的觀點(diǎn)，發(fā)展了物質(zhì)波理論，并且在實(shí)驗(yàn)中得到了證明，真正建立起整個(gè)量子力學(xué)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光;本性;光量子說;物質(zhì);波粒二象性

一、光的本性爭論

1.牛頓為首的“粒子說”觀點(diǎn)

光的顏色問題早在公元前就有人在猜測，亞里士多德、笛卡兒都認(rèn)為光是純潔的、均勻的，色光只是光的變種。牛頓從1663年開始熱衷于研究光學(xué)。在經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后，他提出了自己關(guān)于光是粒子的觀點(diǎn)。牛頓在《光學(xué)》中憑借實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，建立了光的理論，牛頓的粒子說解釋了色散現(xiàn)象以及光的反射、折射現(xiàn)象等，但無法解釋“牛頓環(huán)”。

2.惠更斯的波動(dòng)說

胡克主張，光是一種振動(dòng)，認(rèn)為光是類似于水波的某種快速脈沖。惠更斯發(fā)展了胡克的思想，認(rèn)為光是一種波（以太縱波），提出光是發(fā)光體中微小粒子的振動(dòng)在以太中的傳播，引進(jìn)了著名的惠更斯原理。

3.托馬斯·楊的研究

1801年托馬斯·楊發(fā)展了惠更斯的波動(dòng)理論，他利用了同一光源發(fā)出的相干光的雙縫實(shí)驗(yàn)成功地解釋了干涉現(xiàn)象。雙縫反射實(shí)驗(yàn)為托馬斯·楊的波動(dòng)學(xué)說提供了很好的證據(jù)，這對微粒說來說是個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，但是仍受到當(dāng)時(shí)的權(quán)威學(xué)者的攻擊，長時(shí)間內(nèi)沒有人理解托馬斯·楊的工作。1809年，法國的馬呂斯發(fā)現(xiàn)了偏振現(xiàn)象，并認(rèn)為找到了決定性證據(jù)可以駁倒波動(dòng)學(xué)說，此時(shí)的托馬斯·楊開始認(rèn)識到要用光是橫波來代替縱波的概念，這正是后來菲涅耳等人繼續(xù)發(fā)展波動(dòng)學(xué)說研究的出發(fā)點(diǎn)。

4.菲涅耳的研究

菲涅耳短暫的一生為波動(dòng)光學(xué)作出了巨大的貢獻(xiàn)，他的研究成果頗豐。菲涅耳用實(shí)驗(yàn)解釋了惠更斯理論無法解釋的光的直線傳播和影的形成問題。用菲涅耳公式，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算光在反射與折射時(shí)的能量分配問題，可以很好地解釋光的反射與折射起偏問題，解釋光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)的內(nèi)全反射現(xiàn)象，以及光由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)反射光的半波損失問題等等。

二、愛因斯坦的光量子說

20世紀(jì)之交，物理學(xué)面臨著革命性的時(shí)期，就在大家認(rèn)為經(jīng)典物理的大廈即將建立完畢的時(shí)候，一些實(shí)驗(yàn)卻無法用經(jīng)典理論給出解釋，光電效應(yīng)和黑體輻射就是當(dāng)時(shí)無法解釋的實(shí)驗(yàn)。

1.光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

赫茲的實(shí)驗(yàn)證明了麥克斯韋理論的正確性，即光的波動(dòng)理論的正確性，但是也是赫茲在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)最終又導(dǎo)致了微粒說的復(fù)活！

光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)表明：微弱的紫光能從金屬表面打出電子，而很強(qiáng)的紅光卻不能打出電子，就是說光電效應(yīng)的產(chǎn)生只取決于光的頻率而與光的強(qiáng)度無關(guān)。波動(dòng)說認(rèn)為光是一種波，它的能量是連續(xù)的，能量和光的振幅即強(qiáng)度有關(guān)，而和光的頻率無關(guān)，如果微弱的紫光能從金屬表面打出電子來，那很強(qiáng)的紅光就更能打出電子來，而實(shí)驗(yàn)卻是相反的。

2.普朗克的能量子說

普朗克的能量子假說具有劃時(shí)代的意義，開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元，為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。但是他本人及同時(shí)代的人都沒有認(rèn)識到這一點(diǎn)，普朗克本人也一直想推翻自己這種違反經(jīng)典理論的假說。普朗克盡管有許多局限，但畢竟是在科學(xué)變革時(shí)代的一個(gè)新理論的開拓者，他放出了量子幽靈，而這個(gè)幽靈最終改變了人們對世界的看法。

3.愛因斯坦的光量子

愛因斯坦分析了從牛頓和惠更斯以來波動(dòng)說和微粒說的長期爭論，指出麥克斯韋電磁波理論的局限性，審查了普郎克處理黑體輻射的思路，總結(jié)了光和物質(zhì)相互作用有關(guān)的各種現(xiàn)象，認(rèn)為光在傳播過程中和與物質(zhì)相互作用的過程中能量是分散的，是一份一份的以能量子的形式出現(xiàn)的。他假設(shè)：光和原子、電子一樣具有粒子性，光就是以光速C運(yùn)動(dòng)著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。同普朗克的能量子一樣，每個(gè)光量子的能量也是E=hy。

三、玻爾等人發(fā)展的早期量子理論

如果1900年普朗克宣告了量子的誕生，那么1913年玻爾則宣告它進(jìn)入了青年時(shí)代。1908年盧瑟福在指導(dǎo)他的助手做“α粒子大角散射”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了有核原子模型，雖然有著實(shí)驗(yàn)的支持，但還是面臨著無法解釋原子穩(wěn)定性問題這樣與經(jīng)典理論矛盾的問題。玻爾堅(jiān)信盧瑟福的理論，他意識到要解決這一問題，唯有用量子假說，特別是他看到氫光譜的巴爾末公式及斯特恩關(guān)于價(jià)電子躍遷產(chǎn)生輻射的理論后，他便“豁然開朗”了，他發(fā)表了著名的“三部曲”，主要思想即定態(tài)軌道模型，躍遷頻率條件，提出了定態(tài)軌道原子模型。

物質(zhì)波理論的提出，標(biāo)志著波和粒子概念綜合的又一次偉大的勝利。從光的波粒二象性到物質(zhì)的波粒二象性是物理學(xué)中最偉大、最優(yōu)美的類比。

參考文獻(xiàn)：

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