淺論光的波粒二象性

段 瑞

（黑龍江大學(xué)中俄學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150000）

淺論光的波粒二象性

段 瑞

（黑龍江大學(xué)中俄學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150000）

微粒的波粒二象性是量子力學(xué)最基本的理論基礎(chǔ)，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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、波粒二象性對量子力學(xué)的意義三個(gè)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(xué) 波粒二象 微粒 本質(zhì)

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(jì)，惠更斯提出了光的波動學(xué)說與牛頓提出的光的微粒學(xué)說針鋒相對。由于牛頓的權(quán)威，微粒說占據(jù)科學(xué)界主導(dǎo)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(jì)初所發(fā)現(xiàn)的黑體輻射與光電效應(yīng)卻無法用光的波動性來解釋。[1]

2．經(jīng)典物理學(xué)的兩團(tuán)烏云

W.Thomson認(rèn)為經(jīng)典物理學(xué)空中有兩團(tuán)烏云，第一團(tuán)烏云是“以太”介質(zhì)。當(dāng)時(shí)科學(xué)界一致認(rèn)為光的傳播像聲音的傳播一樣依賴于一種介質(zhì)，這種介質(zhì)被命名為”以太”，意為：神所呼吸的空氣。但是“以太”的存在便產(chǎn)生的一系列的為問題：為什么無法通過實(shí)驗(yàn)測出“以太”本身的運(yùn)動速度？為什么天體能夠無摩擦的穿行于“以太”之中？第二團(tuán)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(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中能量均分定理給的值。[2]

可以說，這個(gè)兩個(gè)問題對量子力學(xué)產(chǎn)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(lián)系。

3．黑體輻射

如果一個(gè)物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物質(zhì)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(tài)時(shí)的能量按波長的分布。實(shí)驗(yàn)得出平衡時(shí)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(guān)，而與空腔的形狀及組成的物質(zhì)無關(guān)。這與人們認(rèn)識的能量分布的規(guī)律不相符。眾多科學(xué)家企圖用經(jīng)典物理學(xué)解釋這一現(xiàn)象，但都未成功。[4]

1900年，普朗克引進(jìn)量子概念，認(rèn)為，黑體以 νh為能量單位不連續(xù)地發(fā)射和吸收頻率為ν的輻射，而不是像經(jīng)典物理學(xué)那樣連續(xù)的發(fā)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(xué)的大門也由此打開。[5]

4．愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋

普朗克起初只把能量量子化的概念局限在物質(zhì)振子的發(fā)射或吸收機(jī)制上。在光的傳播問題上，他仍然堅(jiān)持波動理論，認(rèn)為光能夠在發(fā)射后仍然像波一樣連續(xù)分布在被照射的空間。但是勒納德等人的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，這種看法在解釋光電效應(yīng)時(shí)，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(fā)射和吸收時(shí)以能量為 νε h= 的微粒形式出現(xiàn)，而且以這種形式以速度c在空間運(yùn)動。這種粒子叫做光量子。如果激發(fā)光的能量是由一些單個(gè)能量為ε的光量子組成，則光子照射到金屬表面時(shí)，能量被光子所吸收，而電子在離開金屬表面時(shí)，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(yīng)，這個(gè)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(zhì)量，v是電子離開金屬表面的速度，h是普朗克常數(shù)，0W是逸出功。[6]

二、光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1．楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)干涉

楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)干涉無可辯駁的證明了光的波動本性。

圖1 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)干涉

如圖所示，縫光源從S1的a點(diǎn)發(fā)出，S2上的b和 c兩點(diǎn)距離a點(diǎn)等距離。通過b c兩點(diǎn)的光是由同一光源a點(diǎn)發(fā)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(diǎn)發(fā)出的光為相干光源。從接收屏F上可以看出，由b c兩點(diǎn)發(fā)出的光產(chǎn)生了相干現(xiàn)象，出現(xiàn)了明、暗交替的干涉條紋。

事實(shí)上，凡是強(qiáng)弱按一定分布的干涉圖樣出現(xiàn)的現(xiàn)象，都可以作為光具有波動性的最有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

2．康普頓散射

康普頓散射從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)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(jù)相對論，電子在碰撞后的動能為：