詮釋“使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫”

許國(guó)梁,劉祖萍,許友文

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

詮釋“使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫”

許國(guó)梁,劉祖萍,許友文

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

論述了光的波粒二象性，并應(yīng)用光的波粒二象性，詮釋了“使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫”這一物理模型．作為微觀客體的光子具有波粒二象性，這是光的本性的反映，是對(duì)光的認(rèn)識(shí)的深化．

光子；波粒二象性；狹縫；統(tǒng)計(jì)規(guī)律

1 光的波粒二象性

光在傳播過(guò)程中顯示出波動(dòng)性.光的波動(dòng)說(shuō)圓滿(mǎn)地解釋了光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象.麥克斯韋電磁理論建立之后，波動(dòng)說(shuō)取得了完全的勝利.與此同時(shí)，光與物質(zhì)的相互作用時(shí)顯示出粒子性，光量子或光子的假設(shè)成功地解釋了黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng).這說(shuō)明電磁波（或光）是由光子組成的，它傳播的是光子流，光子能量和動(dòng)量分別為

將光子視為微觀粒子，說(shuō)明光具有粒子性；另一方面，從光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象中，說(shuō)明光又具有波動(dòng)性．這樣，光就具有粒子和波動(dòng)的雙重性質(zhì)，稱(chēng)之為光的波粒二象性．

光的粒子性所說(shuō)的粒子并不是經(jīng)典力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)，這種質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)服從牛頓力學(xué)的規(guī)律；而光子的粒子性是指它是由光子組成的，光子的能量和動(dòng)量分別由（1）、（2）式?jīng)Q定．這兩式說(shuō)明光與物質(zhì)相互作用時(shí)交換的能量是一份一份的，即量子化的．一份就是一個(gè)光子，或者只能是這一份的整數(shù)倍，不能取其間的任意值．即光子或者全被吸收或者全沒(méi)被吸收．這就是光子粒子性的實(shí)質(zhì)．光子的粒子性并不是微粒說(shuō)的復(fù)合，二者有本質(zhì)的區(qū)別．光子的粒子性除“粒子”一詞與經(jīng)典物理學(xué)中的“質(zhì)點(diǎn)”有相似之處（即皆指可不計(jì)物體的大小和形狀而視為一個(gè)點(diǎn)）外，其余性質(zhì)都有原則性的區(qū)別．例如，光子與經(jīng)典質(zhì)點(diǎn)一樣，都具有能量，但它的能量卻是量子化的；光子也有質(zhì)量，但它的靜止質(zhì)量卻為零．

光的波粒二象性，實(shí)質(zhì)上是光子的波粒二象性．光子具有粒子性，而它的能量和動(dòng)量又與波長(zhǎng)或頻率通過(guò)普郎克常數(shù)緊密聯(lián)系在一起．所以，作為微觀客體的光子具有波粒二象性，這是光的本性的反映，是對(duì)光的認(rèn)識(shí)的深化．隨著人類(lèi)的認(rèn)識(shí)范圍不斷擴(kuò)展，不可能直接感知的事物出現(xiàn)在我們面前.在這種情況下我們就要設(shè)想一種模型，盡管以日常經(jīng)驗(yàn)來(lái)衡量，這個(gè)模型的行為十分古怪，但是只要能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，它就能夠在一定范圍內(nèi)正確代表所研究的對(duì)象． 光的波粒二向性就是一個(gè)典型的例子．

2 光子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

光子是一種粒子，它和物質(zhì)的作用是“一份一份”地進(jìn)行的．圖1是用很弱的光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)的照片，可理解為“使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫”．圖1乙的曝光時(shí)間最短．圖1（?。┑钠毓鈺r(shí)間最長(zhǎng)．感光膠片放在光屏的位置，圖中的白點(diǎn)是光子落在膠片上的痕跡． 這些照片清楚地顯示了光的粒子性．圖1還告訴我們，當(dāng)光子的數(shù)量很多時(shí)（如圖1丙和?。?，我們無(wú)法把它們區(qū)分開(kāi)，因此看起來(lái)是連續(xù)的．

再看光的波動(dòng)性．單個(gè)光子通過(guò)雙縫后的落點(diǎn)無(wú)法預(yù)測(cè)．如圖1乙．但是研究很多的光子打在膠片上的位置，我們就可以發(fā)現(xiàn)出規(guī)律性：光子落在某些條形區(qū)域內(nèi)的可能性較大，如圖1丙、丁，恰好，這些條形區(qū)域正是某種波通過(guò)雙縫后發(fā)生干涉的振幅加強(qiáng)的區(qū)域．這個(gè)現(xiàn)象表明，光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大?。ǜ怕剩梢杂貌▌?dòng)規(guī)律來(lái)描述．所以我們說(shuō)光是一種波，并且在物理學(xué)中把光波叫做概率波．

3 結(jié)論

綜上所述，通常所說(shuō)的“使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫”是指使光弱到只能是一個(gè)一個(gè)的光子通過(guò)狹縫，正如使一個(gè)一個(gè)的微粒進(jìn)入概率箱一樣，以便討論微粒的統(tǒng)計(jì)規(guī)律． 值得注意的是這一個(gè)一個(gè)的光子并不是指彼此“孤立”的單個(gè)單個(gè)的光子，而是處于同樣環(huán)境（如同樣的儀器或同樣的光子）中的大量光子中的一個(gè)光子． 這正如同種微粒進(jìn)入同一個(gè)概率箱一樣．所以，這一個(gè)一個(gè)的光子通過(guò)狹縫后，曝光時(shí)間短（光子數(shù)少）時(shí)，底片上只出現(xiàn)一些無(wú)規(guī)則分布的點(diǎn)子，那些點(diǎn)子是光子打在底片上形成的．表現(xiàn)出粒子性；曝光時(shí)間長(zhǎng)（大量光子）時(shí)，底片上就出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，就像用強(qiáng)光經(jīng)短時(shí)間照射后產(chǎn)生的一樣． 遵循必然的統(tǒng)計(jì)規(guī)律．因此，可以把光的波動(dòng)性看做是大量的處于同樣環(huán)境中的光子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律．

[1]梁紹榮，劉昌年，盛正華．普通物理學(xué)（第五分冊(cè)）//近代物理學(xué)[M]．第2版.北京：高等教育出版社，1994：56-59.

[2]甄長(zhǎng)蔭．近代物理學(xué)（上冊(cè)）[M]．北京：北京師范大學(xué)出版社，1987．

[3]胡素芬．近代物理基礎(chǔ)[M]．杭州：浙江大學(xué)出版社，1988．

[4]人民教育出版社物理室．物理（第三冊(cè)）[M]．第2版．北京：人民教育出版社，2006．

[5]人民教育出版社物理室．高級(jí)中學(xué)課本物理（第二冊(cè)）（必修）[M]．北京：人民教育出版社，1990．

責(zé)任編輯：張隆輝

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1672-2094(2014)05-0157-02

2014-03-13

許國(guó)梁（1977-），男，四川遂寧人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝體系講師.

劉祖萍（1967-），女，四川瀘州人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)電教學(xué)部副教授.