淺論光的波粒二象性

段 瑞

（黑龍江大學中俄學院 黑龍江哈爾濱 150000）

淺論光的波粒二象性

段 瑞

（黑龍江大學中俄學院 黑龍江哈爾濱 150000）

微粒的波粒二象性是量子力學最基本的理論基礎，光的波粒二象性是微粒波粒二象性的有力代表。本文通過光的波粒二象性的提出、光的波粒二象性的實驗驗證、波粒二象性對量子力學的意義三個方面闡述了波粒二象性，讓讀者對這一理論有更為深刻的理解。

量子力學 波粒二象 微粒 本質

一、光的波粒二象性的提出

1．早期物理界對光的理解

17世紀，惠更斯提出了光的波動學說與牛頓提出的光的微粒學說針鋒相對。由于牛頓的權威，微粒說占據科學界主導地位。直到麥克斯韋建立了麥克斯韋方程組，從理論上證明了光是電磁波，爭論才逐漸平息。但20世紀初所發現的黑體輻射與光電效應卻無法用光的波動性來解釋。[1]

2．經典物理學的兩團烏云

W.Thomson認為經典物理學空中有兩團烏云，第一團烏云是“以太”介質。當時科學界一致認為光的傳播像聲音的傳播一樣依賴于一種介質，這種介質被命名為”以太”，意為：神所呼吸的空氣。但是“以太”的存在便產生的一系列的為問題：為什么無法通過實驗測出“以太”本身的運動速度？為什么天體能夠無摩擦的穿行于“以太”之中？第二團烏云則涉及物體的比熱容，即觀測到的物體比熱容總是低于經典統計物理學中能量均分定理給的值。[2]

可以說，這個兩個問題對量子力學產生了不可忽略的推動影響。而黑體輻射問題的研究也與它們有不可分割的聯系。

3．黑體輻射

如果一個物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物質就稱絕對黑體，簡稱黑體。[3]

黑體輻射問題所研究的是輻射與周圍物體處于平衡狀態時的能量按波長的分布。實驗得出平衡時輻射能量密度按波長分布的曲線，其形狀和位置只與黑體的絕對溫度有關，而與空腔的形狀及組成的物質無關。這與人們認識的能量分布的規律不相符。眾多科學家企圖用經典物理學解釋這一現象，但都未成功。[4]

1900年，普朗克引進量子概念，認為，黑體以 νh為能量單位不連續地發射和吸收頻率為ν的輻射，而不是像經典物理學那樣連續的發射和吸收輻射能量。如此，他提出的黑體輻射公式很好的解釋了這一問題，量子力學的大門也由此打開。[5]

4．愛因斯坦對光電效應的解釋

普朗克起初只把能量量子化的概念局限在物質振子的發射或吸收機制上。在光的傳播問題上，他仍然堅持波動理論，認為光能夠在發射后仍然像波一樣連續分布在被照射的空間。但是勒納德等人的實驗已經表明，這種看法在解釋光電效應時，遇到了特別大的困難。

在1905年，愛因斯坦提出，電磁輻射不僅在被發射和吸收時以能量為 νε h= 的微粒形式出現，而且以這種形式以速度c在空間運動。這種粒子叫做光量子。如果激發光的能量是由一些單個能量為ε的光量子組成，則光子照射到金屬表面時，能量被光子所吸收，而電子在離開金屬表面時，還必須做逸出功 W0= h v0來克服金屬表面吸力。這是金屬的特性，這種特性與一定頻率0v相對應，這個頻率被稱為截止頻率。剩下的能量便為電子的動能：

式中，m是電子的質量，v是電子離開金屬表面的速度，h是普朗克常數，0W是逸出功。[6]

二、光的波粒二象性的實驗驗證

1．楊氏雙縫實驗干涉

楊氏雙縫實驗干涉無可辯駁的證明了光的波動本性。

圖1 楊氏雙縫實驗干涉

如圖所示，縫光源從S1的a點發出，S2上的b和 c兩點距離a點等距離。通過b c兩點的光是由同一光源a點發出的光形成的。滿足相干條件：振動方向相同、頻率相同、相位差恒定。所以從b c兩點發出的光為相干光源。從接收屏F上可以看出，由b c兩點發出的光產生了相干現象，出現了明、暗交替的干涉條紋。

事實上，凡是強弱按一定分布的干涉圖樣出現的現象，都可以作為光具有波動性的最有力的實驗證據。

2．康普頓散射

康普頓散射從實驗上驗證了光具有粒子性。

圖2 康普頓散散射

以h v和 vh′表示光子在碰撞前和碰撞后的能量；以p和p′表示碰撞前后的動能。根據相對論，電子在碰撞后的動能為：