從近距離觀察光的衍射現(xiàn)象結(jié)果中認(rèn)識(shí)光的波粒二象性

王少波

（廣東 東莞 523850）

從近距離觀察光的衍射現(xiàn)象結(jié)果中認(rèn)識(shí)光的波粒二象性

王少波

（廣東 東莞 523850）

一直以來，人們無法理解為什么光有波粒二象性？如何描述光的波粒二象性？為了弄明白這些問題本文，設(shè)計(jì)了幾個(gè)光的衍射實(shí)驗(yàn)，并利用 CCD技術(shù)近距離觀察光的衍射現(xiàn)象，從中得到光通過障礙物時(shí)存在散射現(xiàn)象，并從觀察到的衍射現(xiàn)象結(jié)果中分析光的衍射實(shí)質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有一些光的衍射現(xiàn)象，如果使用現(xiàn)時(shí)光的波動(dòng)性理論無法很好的解釋清楚。因此文章通過實(shí)驗(yàn)分析提出光量子具有類似于水的張力性質(zhì)，提出光量子的一個(gè)新的模型，并提出另一種關(guān)于光的衍射的假設(shè)。

光量子；光子；衍射；CCD；波粒二象性；散射；表面張力

1900－1926年是量子力學(xué)的醞釀時(shí)期，此時(shí)的量子力學(xué)是半經(jīng)典半量子的學(xué)說，稱為舊量子論，開始于德國物理學(xué)家普朗克對(duì)黑體輻射的研究。黑體輻射是1900年經(jīng)典物理（牛頓力學(xué)、麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理）所無法解決的幾個(gè)難題之一。舊理論導(dǎo)出的黑體輻射譜會(huì)產(chǎn)生發(fā)散困難，與實(shí)驗(yàn)不符。普朗克于是提出“能量子”概念，認(rèn)為黑體由大量振子組成，每個(gè)振子的能量是振子頻率的整數(shù)倍，這樣導(dǎo)出的黑體輻射譜與實(shí)驗(yàn)完全符合。“能量子”是新的概念，它表明微觀系統(tǒng)的能量有可能是間隔的、跳躍式的，這與經(jīng)典物理完全不同，普朗克因此就這樣吹響了新的物理征程的號(hào)角，這成為近代物理的開端之一。1905年，愛因斯坦把普朗克的“能量子”概念又向前推進(jìn)了一步，認(rèn)為輻射能量本來就是一份一份的，非獨(dú)振子所致，每一份都有一個(gè)物質(zhì)承擔(dān)者——光量子，從而成功地解釋了光電效應(yīng)。愛因斯坦本人在幾年后又比較成功地把量子論用到固體比熱問題中去。1912年，丹麥青年玻爾根據(jù)普朗克的量子論、愛因斯坦的光子學(xué)說以及盧瑟福的原子行星式結(jié)構(gòu)模型，成功地導(dǎo)出了氫原子光譜線位置所滿足的公式，從這以后掀起了研究量子論的熱潮。1924年，法國貴族青年德布洛意根據(jù)光的波粒二象性理論、相對(duì)論及玻爾理論，推斷認(rèn)為一般實(shí)物粒子也應(yīng)具有波動(dòng)性，提出了物質(zhì)波的概念，經(jīng)愛因斯坦褒揚(yáng)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，直接導(dǎo)致了1926年奧地利學(xué)者薛定諤發(fā)明了量子力學(xué)的波動(dòng)方程。［1］

自從發(fā)現(xiàn)微觀世界的波粒二象性之后，對(duì)這個(gè)怪胎的爭論從來沒有停止過。同時(shí)到現(xiàn)在為止，波粒二象性理論理論已為人們所熟知。那么到底波粒二象性在物理理論上如何描述？這個(gè)是一個(gè)很多年未有人討論過的難題。即使20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家愛因斯坦到晚年時(shí)也不得不說：“經(jīng)過50年的思考，也沒有使我更接近解得光量子是什么這個(gè)問題”。［2］為了進(jìn)一步了解光量子是什么，光的波粒二象性是什么？本文通過設(shè)計(jì)了幾個(gè)衍射實(shí)驗(yàn)，并從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)有一些光的衍射及干涉現(xiàn)象與光的波動(dòng)性理論不符，并通過大量的實(shí)驗(yàn)分析提出光量子具有類似于水的張力性質(zhì)，并提出另一種關(guān)于光的衍射的假設(shè)。

1 研究單邊衍射實(shí)驗(yàn)，并由其結(jié)果引發(fā)的思考

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1，實(shí)驗(yàn)用的激光源為波長約為650 nm的激光手電筒，最大的照射長度超過100 m，實(shí)驗(yàn)用的激光光束照射到大約200 mm的地方，光點(diǎn)最小半徑為2 mm左右，此種手電筒現(xiàn)在市場上比較普通，選用時(shí)注意選用遠(yuǎn)距離照射時(shí)，比較小甚至沒有明暗條紋的為佳。所使用的單邊衍射卡片為銅片，銅片厚度約為0.1 mm。本文所做所有單邊衍射實(shí)驗(yàn)除特殊指出外一般都是針對(duì)直邊衍射的。如圖1所示擺放各實(shí)驗(yàn)物品，其中圖1中a＝0.15 m，b＝3.80 m時(shí)得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，見圖2、圖3：

圖1 光的單邊衍射實(shí)驗(yàn)

圖2 單邊衍射實(shí)驗(yàn)效果圖1

圖3 單邊衍射實(shí)驗(yàn)效果圖2

從實(shí)驗(yàn)效果圖2中明顯看出用繳光做的單邊衍射條紋。而從實(shí)驗(yàn)效果圖3左邊可看到一條與單邊衍射條紋方向相反，沒有衍射條紋的光線。從這條光線的延伸方向（與卡片的衍射的單邊方向垂直）及其光強(qiáng)逐步減弱的性質(zhì)，大膽猜測這條光線有可能是散射光線。

非常簡單的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是耐人尋味的。為什么卡片覆蓋的地方?jīng)]有衍射條紋而卡片沒有覆蓋的地方卻有衍射條紋？而且不管是否有衍射條紋，它們都處在同一條直線上，兩邊兩條線的光線強(qiáng)度差不多相等，為什么？如果按照光具有波動(dòng)性，由惠更斯原理，［1］圖 3左右兩邊應(yīng)該都有明暗條紋，而不應(yīng)該是“一邊具有明顯的波動(dòng)性，一邊波動(dòng)性不明顯”。造成兩邊不同現(xiàn)象應(yīng)該是由一些我們還未發(fā)現(xiàn)的原因?qū)е碌摹?/p>

根據(jù)現(xiàn)時(shí)的波動(dòng)理論，［1］［3］提出試圖解決“一邊具有明顯的波動(dòng)性，一邊波動(dòng)性不明顯”的猜想一：光通過卡片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，而這些散射光中，向卡片覆蓋部分散射的光線因沒有遇到其它光線，所以不存在明暗條紋，而卡片沒有覆蓋部分散射的光線因中途與原光線（沒有覆蓋的原光線束）相遇，并產(chǎn)生干涉現(xiàn)象而形成明暗條紋，見圖4。

圖4 光的單邊衍射原理

為了驗(yàn)證猜想一是否正確，本文重新對(duì)單邊衍射進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了加大精度，我們加大卡片與屏幕的距離。通過實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果總會(huì)有一些地方與猜想一理論存在一定的偏差。由于儀器所限，實(shí)驗(yàn)精度不夠，無法用準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)。為了證實(shí)單邊衍射中到底是否存在光的散射現(xiàn)象，從而進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)“一邊具有明顯的波動(dòng)性，一邊波動(dòng)性不明顯”的真正原因，本文設(shè)計(jì)了以下一系列實(shí)驗(yàn)去求證。

2 利用CCD技術(shù)，近距離觀察單邊衍射的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用的CCD為300萬像素的攝像頭拆卸所得，感光芯片大小為長寬皆約為3 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，CCD屏離銅片邊角距離為20 mm左右，實(shí)驗(yàn)示意圖見圖5，其實(shí)驗(yàn)方法見圖6。

圖5 通過CCD近距觀察單邊衍射實(shí)驗(yàn)示意圖

如圖6所示，實(shí)驗(yàn)用CCD將放置在1號(hào)位然后一直觀察到10號(hào)位，其實(shí)驗(yàn)效果見圖7～圖16。

圖6 通過CCD近距觀察單邊衍射實(shí)驗(yàn)圖

圖7 1號(hào)位觀察的圖象

圖9 3號(hào)位觀察的圖象

圖10 4號(hào)位觀察的圖象

圖11 5號(hào)位觀察的圖象

圖12 6號(hào)位觀察的圖象

圖13 7號(hào)位觀察的圖象

圖14 8號(hào)位觀察的圖象

圖15 9號(hào)位觀察的圖象

圖16 10號(hào)位觀察的圖象

從實(shí)驗(yàn)效果圖象中分析得到：

圖7～圖15這9幅圖，分別是CCD處在1號(hào)位至9號(hào)位的地方近距離觀察單邊衍射所得的圖象，從實(shí)驗(yàn)的效果看出在激光光束傳播方向處，不管左邊還是右邊都有垂直于銅片衍射邊的連續(xù)光線（沒有明暗條紋），如果這不是光的散射現(xiàn)象引起的，很難讓人想到什么現(xiàn)象能造成這樣的效果。

而圖16為CCD在10號(hào)位上近距觀察到的單邊衍射圖象，從這張圖中發(fā)現(xiàn)光的單邊衍射實(shí)驗(yàn)的近距圖象是不太規(guī)則的，其明暗條紋會(huì)出現(xiàn)斷裂、錯(cuò)開等情形。而且發(fā)現(xiàn)隨著照射的地方不同，產(chǎn)生的單邊衍射近距圖象都不相同。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？難道單邊衍射與銅片邊上的細(xì)微結(jié)構(gòu)有關(guān)？進(jìn)一步猜測單縫衍射是否也存在這些問題呢？

從圖16所表現(xiàn)的情況來看，本文也終于找到了之前驗(yàn)證猜想一的眾多實(shí)驗(yàn)中，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論產(chǎn)生偏差的原因。而且通過這幅圖象，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)時(shí)的波動(dòng)理論學(xué)說無法很好的解釋這幅衍射圖出現(xiàn)不規(guī)則的原因，而且也不能很好地解釋這幅圖中明暗條紋出現(xiàn)了斷裂、錯(cuò)開等情形的原因。本文提出的猜想一也無法很好地解決這些問題。

3 利用前后兩塊銅片做單邊復(fù)合衍射實(shí)驗(yàn)，并使用CCD近距觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖17 利用前后兩塊銅片做單邊復(fù)合衍射實(shí)驗(yàn)

下面將有兩組實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)物品擺放的位置如圖17所示，其中1、2、3為三塊單邊衍射用的銅片，本文所用的銅片厚度皆是0.1 mm。除另外標(biāo)明外，本文提到的使用的CCD近距觀察所得的圖象，其 CCD屏幕擺放在與衍射物體的距離大約為120 mm左右。

第一組實(shí)驗(yàn)：去掉銅片2，留下1和3銅片，其中銅片1與銅片3垂直距離大約是5 mm左右，然后銅片1沿著箭頭慢慢移動(dòng)，并通過CCD屏近距離觀察這兩個(gè)單邊復(fù)合衍射實(shí)驗(yàn)。

第二組實(shí)驗(yàn)：去掉銅片1，留下2和3銅片，其中銅片2與銅片3垂直距離大約是5 mm左右，然后銅片1沿著箭頭慢慢移動(dòng)，并通過CCD屏近距離觀察這兩個(gè)單邊復(fù)合衍射實(shí)驗(yàn)。

這兩組實(shí)驗(yàn)得到的圖象如下：

圖18 銅片1及銅片3的復(fù)合衍射圖象

圖19 銅片2及銅片3的復(fù)合衍射圖象

從實(shí)驗(yàn)效果圖象中分析得到：

圖18和圖19表現(xiàn)出不對(duì)稱的衍射圖象，如果拿其中任一個(gè)圖象與單邊衍射的圖象比較，發(fā)現(xiàn)其中一邊表現(xiàn)出完全不相同的情況。例如，以圖18的情況來說，圖18左邊的明暗條紋與單邊衍射所出現(xiàn)明暗條紋的一邊的情況非常相似。而圖18的右邊存在較寬的明暗條紋，按照單邊衍射的情況來看，圖18的右邊應(yīng)該沒有明暗條紋，而應(yīng)該出現(xiàn)與圖15相似的連續(xù)光線。

圖20 銅片1及3復(fù)合衍射右邊圖象

圖21 銅片2及3復(fù)合衍射左邊圖象

圖22 銅片2及3復(fù)合衍射右邊圖象

圖23 散射過程示意圖

為什么圖 18的右邊會(huì)出現(xiàn)明暗條紋？我們不妨研究一下它們的明暗條紋情況。如圖20和圖21所示，其明紋的寬度皆是由中心往外逐漸增寬，這個(gè)和單邊衍射的圖象（明紋的寬度是由中心往外減小）不符，所以不應(yīng)該是另一個(gè)銅片單邊衍射的直接投影。

那么為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？本文認(rèn)為，形成圖20及圖21的原因，應(yīng)該如圖23所示一樣，由上面的銅片先產(chǎn)生單邊衍射，經(jīng)過下面的銅片后產(chǎn)生了不同程度的散射，而靠近下面銅片的光線散射引起的角度轉(zhuǎn)變較大，較遠(yuǎn)的光線散射引起的角度轉(zhuǎn)變較小，從而造成了明紋的寬度由中心往外逐漸增寬這種現(xiàn)象。所以本文認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)是單邊衍射時(shí)散射光存在的確鑿證據(jù)。既然存在散射光，那么衍射的實(shí)質(zhì)到底是什么？

4 用CCD近距離觀察單縫衍射實(shí)驗(yàn)

圖24 用CCD近距離觀察單縫衍射實(shí)驗(yàn)

使用兩塊銅片做單縫衍射實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)物品擺放位置如圖24所示，其中銅片2固定在一處地方，而銅片1從較遠(yuǎn)的地方（最遠(yuǎn)相距1.5 mm左右）慢慢向銅片2靠近，期間使用CCD近距觀察單縫衍射的圖象。其實(shí)驗(yàn)效果圖象見圖25～圖34。

從實(shí)驗(yàn)效果圖象中分析得到：銅片1從較遠(yuǎn)的地方慢慢向銅片 2靠近的過程中，其間CCD觀察到的圖象分別為：從圖25一直至圖32，圖25為銅片1離銅片2最遠(yuǎn)時(shí)得到，而圖32為銅片1離銅片2最近時(shí)得到的。由最遠(yuǎn)到最近的圖象順序分別為：圖象 25、26、27、28、29、30、31、32。

分析這些圖象得到，其中圖25、26、27為銅片1離銅片2較遠(yuǎn)時(shí)逐漸拉近的圖象。大家研究一下這三幅圖象，不難得到，三幅圖象的明暗條紋幾乎相同，條紋的位置也沒有變動(dòng)。這一點(diǎn)證明了，當(dāng)兩塊銅片距離較遠(yuǎn)時(shí)，其明暗條紋是沒有變動(dòng)的，其只表現(xiàn)為類似于單邊衍射的圖象。

圖25 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖1

圖26 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖2

圖27 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖3

圖28 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖4

圖29 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖5

圖30 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖6

圖31 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖7

圖32 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖8

圖33 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖9

圖34 單縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖10

而圖28、29、30、31、32為銅片1與銅片2距離較圖27近并逐步拉近的圖象。其圖象為明暗條紋逐漸清晰并漸漸規(guī)則化，明暗條紋寬度漸漸增大，表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性。

而圖33為單邊衍射中，銅片2固定在幾乎把所有激光光束遮蓋住時(shí)的單邊衍射實(shí)驗(yàn)的CCD近距觀察圖象。而圖34為單縫衍射中，銅片2固定在幾乎把所有激光光束遮蓋住時(shí)，銅片1逐步向銅片 2靠近（注意激光光束一直都沒有照射到銅片 1上）時(shí)CCD近距觀察到的圖象。很顯然，圖片34左上角有明顯的明暗條紋，其實(shí)在其它地方也有條紋，只不過因?yàn)闂l紋較淡顯示不出來，而在現(xiàn)場做實(shí)驗(yàn)時(shí)表現(xiàn)出非常明顯的單縫衍射條紋。而且在銅片1逐步向銅片2靠近過程中，可見到明顯的條紋移動(dòng)。這一點(diǎn)現(xiàn)時(shí)的波動(dòng)理論無法解釋：光沒有接觸到銅片 1，那么光是如何知道銅片1的存在？另外，做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程中，當(dāng)銅片2由遮蓋住一部分激光光束慢慢向幾乎把所有激光光束遮蓋住的過程中（即是一個(gè)單邊衍射實(shí)驗(yàn)），發(fā)現(xiàn)首先是散射光線的慢慢減弱直至不見，然后才到單邊衍射條紋的消失。很顯然，這個(gè)過程中，銅片是先遮蓋住造成散射的光線束，然后才遮蓋住產(chǎn)生明暗條紋的光線束的。

5 利用CCD近距觀察針及銅片的衍射實(shí)驗(yàn)

圖35 用CCD近距離觀察針及銅片的衍射實(shí)驗(yàn)

利用圓形銅片，半徑大約為25 mm，厚度約為0.1 mm左右，一支針，直徑0.2 mm左右，針與銅片相距0.1 mm左右。把針放在激光光束中心左右，并令到激光光束跨過針與銅片所形成的縫隙，照射到銅片上，這樣就形成了針與銅片的衍射實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)物品擺放位置如圖35所示。得到的實(shí)驗(yàn)效果圖如下：

圖36 針及銅片的衍射圖左邊效果

圖37 針及銅片的衍射圖右邊效果

圖38 單支針時(shí)左邊的衍射效果圖

圖39 針及銅片衍射時(shí)左邊效果圖

從實(shí)驗(yàn)效果圖象中分析得到：圖36、37為針及銅片衍射時(shí)利用CCD近距觀察到的圖象。其中圖37應(yīng)該是激光束經(jīng)過針及銅片所形成的縫隙時(shí)產(chǎn)生的，具有明顯的衍射條紋，而圖36的圖象通過分析，初步判斷其類似于單邊衍射的圖象。

于是我們近距對(duì)針及銅片的衍射圖左邊進(jìn)行觀察，得到圖39。然后我們撤掉銅片，單獨(dú)對(duì)單支針時(shí)左邊的衍射進(jìn)行近距觀察，得到圖38。比較圖38及圖39兩個(gè)圖象，可以得到兩個(gè)圖象的明暗條紋幾乎相同，而且出現(xiàn)明暗條紋的地方也幾乎相同，這一點(diǎn)現(xiàn)時(shí)的波動(dòng)理論也無法解釋。

6 利用CCD近距觀察鏡面反射實(shí)驗(yàn)

圖40 用CCD近距觀察鏡面反射實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用的鏡子其玻璃厚度為大約1 mm左右。實(shí)驗(yàn)物品擺放位置如圖40所示。其實(shí)驗(yàn)所得到的效果，見圖41、42。

圖41 鏡面反射效果圖1

圖42 鏡面反射效果圖2

從實(shí)驗(yàn)效果圖象中分析得到：圖41、42分別為鏡面反射不同位置觀察到的圖象。從觀察到的圖象得到，鏡面反射，其反射點(diǎn)周圍有很多圈類似于單邊衍射的明暗條紋。條紋離照射點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，其寬度就越窄。

為什么會(huì)有這樣的現(xiàn)象呢？我們不妨又做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，在玻璃的一邊使用激光光束直接照射在透明的玻璃上，并垂直穿過透明玻璃。然后我們?cè)诓ＡУ牧硪贿叿胖昧?CCD屏，通過CCD近距觀察照射點(diǎn)的周圍，我們不難發(fā)現(xiàn)照射點(diǎn)的周圍也存在類似于單邊衍射的明暗條紋。

7 光的圓邊V字縫一些衍射實(shí)驗(yàn)及其CCD近距觀察圖象

實(shí)驗(yàn)用的圓邊材料為銅片，半徑大約為25 mm，厚度約為0.1 mm左右，其實(shí)驗(yàn)圖及實(shí)驗(yàn)用的樣品圖如下所示：

圖43 圓邊V字縫衍射實(shí)驗(yàn)樣品

圖44 圓邊V字縫衍射實(shí)驗(yàn)圖

圖45 圓邊V字縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖

從實(shí)驗(yàn)的效果圖中可見到，圖45顯示出非常明顯的明暗條紋。我們不妨利用CCD技術(shù)近距觀察這個(gè)實(shí)驗(yàn)，觀察其實(shí)驗(yàn)效果如何？實(shí)驗(yàn)示意圖如圖46所示：

圖46 使用CCD觀察圓邊V字縫衍射實(shí)驗(yàn)示意圖

其實(shí)驗(yàn)效果如下：

圖47 圓邊V字縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖

圖48 圓形銅片單邊衍射時(shí)其散射效果圖

從實(shí)驗(yàn)效果圖象中分析得到：

圖48為圓形銅片單邊衍射時(shí)其散射效果圖，而圖47為圓邊V字縫衍射實(shí)驗(yàn)效果圖。比較圖47與圖48兩個(gè)圖象發(fā)現(xiàn)：①圖47比圖48多了從右向左上角的很多條具有明暗條紋的光線；②圖48存在右上到左下的一系統(tǒng)連續(xù)光線，而圖47雖然仍有這些光線的身影，不過它們已全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻靼禇l紋的光線，而且非常規(guī)則。

使用圖43的樣品（也可以用普通的直邊銅片）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其擺放位置見圖49中1、2兩個(gè)位置，其中c、d兩個(gè)位置為兩個(gè)亮點(diǎn)。分別把CCD擺放在a、b兩個(gè)位置上觀察，得到圖象如下：

圖49 觀察圓邊單縫衍射的反射光實(shí)驗(yàn)圖

圖50 a位所觀察到的圖象

圖51 b位所觀察到的圖象

從實(shí)驗(yàn)觀察到的圖象中分析：

圖50及51所觀察到的圖象分別為CCD擺放在a、b處所觀察到的圖象，其反射圖象顯示，離亮點(diǎn)c越近，其條紋寬度越小。另外實(shí)驗(yàn)時(shí)，不管c亮點(diǎn)還是d亮點(diǎn)兩邊的條紋都有移動(dòng)的情況。為了弄明白其條紋移動(dòng)的原因，我們?cè)赨處點(diǎn)一支蠟燭。擺放蠟燭的可明顯見條紋向一邊移動(dòng)。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明氣流能引起條紋移動(dòng)，而在e處觀察到的圖象，其條紋并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的移動(dòng)跡象。本文認(rèn)為，這些條紋是由于銅片原子對(duì)光量子作用而引起的。這一點(diǎn)，現(xiàn)時(shí)的波動(dòng)理論也無法很好的解釋清楚。

綜合上述所有的實(shí)驗(yàn)，不難看出根據(jù)現(xiàn)時(shí)的波動(dòng)理論，不能很合理地解釋以下現(xiàn)象：①單邊衍射實(shí)驗(yàn)中，一邊具有明顯的衍射條紋，一邊卻是連續(xù)的光線；②單邊衍射實(shí)驗(yàn)中，使用CCD近距觀察到的單邊衍射圖象中，出現(xiàn)斷裂、錯(cuò)開、錯(cuò)位等現(xiàn)象；③針及銅片的衍射實(shí)驗(yàn)中，針沒有銅片的一邊，觀察到的衍射圖象與撤掉銅片后的圖象幾乎相同等；④觀察圓邊單縫衍射的反射光實(shí)驗(yàn)中，無法解釋條紋為什么會(huì)移動(dòng)。

通過這些實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)：①光束通過障礙物時(shí)，存在散射光現(xiàn)象，如單邊衍射實(shí)驗(yàn)、前后兩塊銅片做單邊復(fù)合衍射實(shí)驗(yàn)；②物質(zhì)的單邊衍射圖象存在斷裂、錯(cuò)位等現(xiàn)象，并呈現(xiàn)一定的不規(guī)則性；③實(shí)驗(yàn)用的單縫形成后，不管光束是否都與單縫的兩邊接觸過，都可以得到單縫衍射圖象，如單縫衍射實(shí)驗(yàn)；④激光光束經(jīng)過玻璃后，其照射點(diǎn)周圍存在一些類似于單邊衍射的明暗條紋，如鏡面反射實(shí)驗(yàn)；⑤不管是單邊衍射圖象，還是單縫衍射圖象，除了豎向上有明暗條紋外，其橫向方面也有一些明暗條紋，如圖15、圖32及下圖52所示；⑥光的衍射圖象與縫隙物品的原子的位置結(jié)構(gòu)有關(guān)；⑦通過觀察大量的實(shí)驗(yàn)圖象，對(duì)實(shí)驗(yàn)圖象分析，通過衍射所得到的光斑（以下稱光量子團(tuán)），不存在單獨(dú)的尖角，而在存在尖角處發(fā)現(xiàn)存在藕斷絲連的現(xiàn)象，見圖16。

綜合所有結(jié)論，本文作出一個(gè)大膽的猜想：本文認(rèn)為光量子不是最小單位，光量子就如水滴一樣，其內(nèi)包含大量的“光子”，且光量子就如水滴一樣存在表面張力，而光量子與光量子之間也存在表面張力，正是這些表面張力使得光量子存在波動(dòng)性。而光的衍射現(xiàn)象是光量子的表面張力與衍射物品的表層原子或電子共同作用所產(chǎn)生的結(jié)果。

單邊衍射的實(shí)質(zhì)：光量子由于存在表面張力，使得相鄰的光量子之間通過張力組成一個(gè)復(fù)雜的光量子網(wǎng)，見圖53。而這個(gè)光量子組成的網(wǎng)通過單邊衍射樣品最外層的原子或電子時(shí)，受到最外層原子或電子的作用從而改變了光量子的運(yùn)動(dòng)軌跡，形成了散射。而當(dāng)光量子網(wǎng)通過最外層原子及第二層原子之間時(shí)，受到最外層原子或電子及其它層原子或電子兩者的作用，導(dǎo)致這個(gè)光量子網(wǎng)在結(jié)合薄弱處（張力較小處）被拉斷了，并通過散射形成了不同的明暗條紋，其原理示意圖為圖53。而光的波長是什么，我們解釋為當(dāng)光量子網(wǎng)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，光量子網(wǎng)內(nèi)每個(gè)“光子”受到外力的作用，剛好在長為波長處克服表面張力而斷裂。

單縫衍射的實(shí)質(zhì)：當(dāng)兩塊銅片靠近時(shí)，其最外層原子受到另一塊銅片吸引的作用，從而最外層原子向外位移了，從而導(dǎo)致光量子網(wǎng)通過最外層原子及第二層原子之間時(shí)，受兩者或電子的作用減小了，導(dǎo)致這個(gè)光量子網(wǎng)斷裂的地方減小，所以衍射時(shí)明紋將隨著兩銅片越來越靠近，其寬度越來越大。

橫向衍射條紋形成原理：當(dāng)光量子網(wǎng)通過單邊衍射樣品邊上兩個(gè)靠近的最外層原子時(shí)，受到兩個(gè)靠近的最外層原子或電子的作用從而形成了橫向衍射條紋。

嘗試從光量子受力分析中，進(jìn)一步了解光量子的張力如何表達(dá)。如圖54所示，假設(shè)有一束光線從原子1及原子2之間經(jīng)過，而這束光線之中間有兩個(gè)光量子團(tuán)，剛好在如圖所示的位上受到作用而斷裂。分析得，其中一個(gè)光量子團(tuán)既受到原子 1也受到原子2的萬有引力，其受力圖見圖53所示。

其中F為光量子團(tuán)左右兩邊表面張力的合力，G1為原子1對(duì)光量子團(tuán)的萬有引力，而G2為原子2對(duì)光量子團(tuán)的萬有引力，原子1的質(zhì)量為m1，原子2的質(zhì)量為m2，光量子團(tuán)的質(zhì)量為m3，其三位的位置可見圖53所示。

圖52 單縫衍射圖象

圖53 衍射原理示意圖

圖54 光量子受力分析圖

我們假設(shè)當(dāng)F＝G1－G2時(shí)，光量子團(tuán)之間的聯(lián)系將會(huì)被拉斷，而當(dāng)F＜G1－G2時(shí)，光量子團(tuán)之間已經(jīng)被拉開了。

而我們假設(shè)r1＝k1l，（r2＋r3）＝k2l，其中k1、k2為整數(shù)型系數(shù)，那么（1）式可化為：

光量子的張力與光量子的波長λ以及λ1存在反比關(guān)系。

利用光量子的張力解釋光電現(xiàn)象，當(dāng)光照射在光電材料上時(shí)，一部分光會(huì)被反射回來，反射回來的光，其表面張力對(duì)光電材料表面的電子作用，使其溢出后形成光電效應(yīng)。波長越大，表面張力越小，當(dāng)表面張力剛好克服電子與原子的庫侖力及萬有引力，電子就可溢出。否則，無論光強(qiáng)多大，電子都無法溢出。

下面我們嘗試簡化受力模型，進(jìn)一步分析一下光量子的運(yùn)動(dòng)軌跡：我們假設(shè)光量子經(jīng)過第一層與第二層原子時(shí)，受兩層原子的作用，其受力圖見圖55。

圖55 光量子網(wǎng)被拉斷后得到的光量子的運(yùn)行軌跡

由力學(xué)原理可知，從光量子網(wǎng)拉出來的光量子的運(yùn)行軌跡大約為一條雙曲線。我們參考盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)［4］的處理方法：

光量子網(wǎng)斷開后，被拉斷的光量子所受到力為：

把牛頓第二定律的動(dòng)力學(xué)方程：F＝m3（a－rω2），［5］轉(zhuǎn)換為微分方程后，由光量子的角動(dòng)量守恒得到：

如果把r5代入得到的方程比較復(fù)雜，所以本文嘗試舍棄一些影響較小的項(xiàng)，假設(shè)被拉斷的光量子離原子1較近，離原子2很遠(yuǎn)。

得到一個(gè)類似于波函數(shù)的方程。

8 結(jié)論

通過大量的衍射實(shí)驗(yàn)，本文發(fā)現(xiàn)了一些實(shí)驗(yàn)，如果使用現(xiàn)時(shí)光的波動(dòng)性理論無法很好的解釋清楚。針對(duì)這些實(shí)驗(yàn)，本文提出了光量子的一個(gè)新模型，本文認(rèn)為光量子不是最小單位，光量子就如水滴一樣，其內(nèi)包含大量的“光子”，且光量子就如水滴一樣存在表面張力，而光量子與光量子之間也存在表面張力，正是這些表面張力使得光量子存在波動(dòng)性。而光的衍射現(xiàn)象是光量子的表面張力與衍射物品的表層原子或電子共同作用所產(chǎn)生的結(jié)果。光量子由于存在表面張力，使得相鄰的光量子之間通過張力組成一個(gè)復(fù)雜的光量子網(wǎng)。而光的波長是什么，我們解釋為當(dāng)光量子網(wǎng)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，光量子網(wǎng)內(nèi)每個(gè)“光子”受到外力的作用，剛好在長為波長處克服表面張力而斷裂。

1 程守洙、江之永.普通物理學(xué)3［M］.北京：高等教育出版社，1982

2 季 灝.“干涉”實(shí)驗(yàn)的新研究［J］.中國科技成果，2008（14）

3 母國光、戰(zhàn)元令.光學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1978.10

4 褚圣麟.原子物理學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1979.6

5 黃鵬輝.盧瑟福α粒子微分散射截面公式.http://blog.ifeng.com/1292308.html

To understand the wave－particle duality of light from results of close observation for the diffraction of light

Wang Shaobo

For long time, people do not understand why there is wave－particle duality of light? How to describe the wave－particle duality of light? In order to understand these issues, this paper designs several light diffraction experiments and uses CCD technology to close observe the phenomenon of light diffraction, it’s found that there is light scattering when light passes by an obstacle; also, this paper analyzes the essence of light diffraction from observed diffraction results.Through experiments, it’s found that some of light diffraction cannot be explained well using existing wave theories of light.Therefore, this paper proposes by experimental analysis that photons have the tension,similarly to water, and proposes a new model and an alternative hypothesis on diffraction of light.

photons; photon; diffraction; CCD; wave－particle duality; scattering; surface tension

O436

A

1000－8136（2011）03－0122－07