《波粒二象性》17.2 光的粒子性

- 1 - 光波粒二象性

很多人都知道光具有波粒二象性，即：一方面光有着粒子性，它是一种“物质”，另一方面光又有着波动性，它是一种“能量”。在平常的生活中，很多人并不明白这其中的原因，光究竟是什么呢？其实，人们一直都在探索光的奥秘。其实光的秘密也就藏在“光的粒子性”与“光的波动性”之间。那么，光的奥秘到底有哪些呢？下面我来给大家说一说吧！

德布罗意的物质波理论认为：电磁场的传播只取决于振动能量，而无需传递任何信息，由此推导出光也具有物质性，由此也可以推断出，光是由各种基本粒子组成的。但是，经过物理学家们的努力发现，光具有两个特性，即：既具有波动性，也具有粒子性，而光波粒二象性也正是光的粒子性与波动性的结合体。 还有更奇妙的呢！光作为一种波，它也同样有着自己的特性。比如说，光也有偏振态，对于同一种介质来说，振动方向和振动频率都是确定的。如果从水中射入一束光，则只会有平行光通过介质的介质；假若再次向水中射入另外一束光，则会使得光沿着与第一束光垂直的方向射出。由此可见，光偏振态的产生，正是由于光的粒子性的缘故。

7。费尔马小孔成像实验证明了光具有波动性：在本实验中，将蜡烛a置于水中，让它的火焰透过圆形小孔射到屏上。因为有这个小孔，小孔两侧的像便倒立起来了。若是把小孔做成菱形，则在小孔的前后两侧成的像都朝着屏，可用实像的虚线去截屏，屏上也就得到倒立的实像。而且屏上的像的位置是一定的，也就是说：由小孔成的像 - 2 - 是倒立的。若是换上一根铅笔在小孔的后面打一个洞，并将圆孔转一个角度，那么在小孔的两边成的像都会成为正立放大的虚像。而由小孔成的像的大小与小孔的大小也有关系，当孔的大小固定时，像的大小也就相对固定。

今天，我讲的光波粒二象性主要是指光的波动性，具有波粒二象性的光叫做波动光，所谓波动性是指光具有干涉、衍射等性质，能够传播。 波动性是指光有粒子性和波动性两方面的性质，有波长范围。光的粒子性：光波的波长比较短的区域称为微波区，包括红外线、紫外线和可见光;波长较长的区域称为非微波区，包括紫光到远红外线。

Ｎｏ．Ｏ５　墼　ＴＩＭＥ　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　Ｉｌｌｌ１．１ｒ　

浅谈对光的波粒二象性的认识　

曹雅芳　

摘要：本文从波动说与微粒说的发展过程，波粒二象性的提出及有关波粒二象性的相关试验等方面进行叙述，以求对光的波粒二　

象性的认识。　

关键词：光波粒二象性粒子波动说　

中图分类号ｉＧ７１２　文献标识码：Ｃ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—８１８１．２０１５．１０．０６１　

光到底是粒子还是波。干涉及衍射和偏振的现象表明光是　

一种波；光电效应和康普顿效应又表明光是一种粒子。然经过前　

辈科学家的探讨和争论。目前普遍接受的理论就是光的波粒二　

象性，这一理论解释了许多现象。　

波粒二象性是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。　

波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。从惠更斯和牛顿早　

期光理论开始，到爱因斯坦和光子及光电效应方程、德布罗意假　

设、波恩概率波和薛定谔方程，一直都在研究波粒二象性。目前，　

波粒二象性的相关研究还在进行中。本文将从以下几个方面进　

行对光的波粒二象性进行叙述。　

１波动说和微粒说的发展进程　

人类很早就开始了对光学的研究。中国先秦时代的《墨经》　

就是世界上最早记录光学的书籍，里面记载了许多关于几何光学　

的知识。世界上最早的“小孔成像”的实验就是由墨子和他的学　

徒们做的，然后他们还对实验结果作出了科学解释一光是沿直线　

传播的。但是，人类正式开始对光的本性研究是从１７世纪开始　

的。　

１．１提出波动学说　

意大利数学家格里马第在１６５５年做过一个实验。他让一束　

光穿过两个Ａ＇，ＦＬ后照到暗室里的屏幕上，这时得到了有明暗条纹　

的图像，他认为这种现象与水波十分相像。从而得出结论：光是　

一种能够作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的　

结果。格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动　

学说最早的提出者。英国物理学家胡克对格里马第的实验很感　

兴趣，于是重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的　

光的波粒二象性

光的波粒二象性是指光既具有波动性，又具有粒子性的特性。这个概念首先由物理学家卢瑟福在20世纪初提出，经过了一系列的实验验证。光的波粒二象性的发现对于现代物理学的发展起到了重要的推动作用。

1. 波动性的实验验证

光的波动性最早由荷兰科学家韦尔兹宁在17世纪末通过干涉实验得到了证实。他利用双缝实验观察到了光的干涉和衍射现象，这表明光具有波动特性。同时，麦克斯韦方程组的提出也进一步揭示了光的波动性。

2. 光的粒子性的实验验证

在光的波动性被广泛接受之后，爱因斯坦在20世纪初通过研究光电效应提出了光的粒子性假说。他认为，光是由一些微粒（光子）组成的，这些微粒具有能量和动量。光电效应实验证实了光的粒子性，当光照射到金属表面时，会产生电子的排斥，这与波动模型无法解释。

3. 波粒二象性的统一理论 物理学家德布罗意在1924年提出了德布罗意假说，他认为不仅物质具有波动性，光也可以看作是由粒子组成的波动。德布罗意假说通过研究物质粒子的波动性和波长与动量的关系推导出了光的波动性和粒子性之间的统一关系。这一假说的成功奠定了现代量子力学的基础。

总结：

光的波粒二象性提出了光既具有波动性，又具有粒子性的概念，在物理学研究中起到了重要的作用。通过波动性和粒子性的实验验证以及德布罗意的统一理论，我们对于光的性质有了更加深入的理解。光的波粒二象性的发现也为量子力学的发展开辟了道路，对于现代科学的发展起到了重要的推动作用。

光的波粒二象性

━━本章总结

一部光学说的开展史，就是人类认识光本性的认识史。让我们再次作一个简单的回忆，肯定比第一课有更深刻的理解。

光的干预、衍射有力地证明光是一种波。但它是一种什么性质的波泥？

两种不同的光波理论

１、惠更斯的波动说──把光看作是某种在介质中传播的波。这是一种典型的机械波观念，需借助介质，且波是连续的。

２、麦克斯韦的电磁说──把光波看作是一种电磁波。

两种观点的争论焦点是：光波传播是否需要介质？⑴、寻找这种介质“以太〞的彻底失败〔本来无一物，何来自寻烦？〕。⑵、电磁波本身就是物质，自身携带能量，无须借助介质传播。⑶、但还有另一个主要问题还未解决，光波是否就是电磁波？麦克斯韦的电磁场理论证明了电磁场的速度等于光速，并由此看到了两者间的联系。赫兹又从实验得到了证实，光的行为与电磁波的行为一致，从而在理论和实验上证明了光确实是一种电磁波。它揭露了光现象的电磁本质，把光、电、磁统一起来，加深了我们对物质世界的联系和认识。光的电磁说是对光的波动说的扬弃，保存了波的特质，抛弃了它机械振动、传播连续的成份。

光电效应现象对光的电磁说提出了严重的挑战。使我们不得不再回到微粒说方面来。

３、牛顿的微说──把光看作沿直线传播的粒子流。它带有明显的机械运动的痕迹，也无法解释光的干预、衍射这些现象。但这个学说中仍含有其合理的成份，这就是光的粒子性。

４、爱恩斯坦抛弃了牛顿微说中机械运动的成份，吸收了〔对方──波动说〕电磁辐射量子化的研究成果，把电磁辐射量子化转变、开展成为光行为的量子化，即光子说，重新恢复了光的粒子性的权威。

但是，光子的物质性、不连续性并非牛顿微粒说意义下的实物粒子，光子没有静止质量，就个别光子而言，它与宏观质点的运动不同，没有一定的轨道，因而无法对个别光子的行为作出“科学的〞预测，它的行为不服从牛顿经典力学。光子说使光的粒子性有了新质的内容。

５、在对光本性的认识过程中，惠更斯的波动说和牛顿的微粒说是相互排斥、相互对立的。后来开展成为光的电磁说和光子说。人们发现，这两种相互对立的学说彼此都含有对方的成份，无法划清界限，更无法绝对独立，谁都不能说自己就是客观真理。光学说开展到此，已无法逃避辩证的综合。中国有句古话，叫做两极相通。人们终于明白，光的波动性和粒子性，不过是光这一客观事物矛盾对立的两个方面，它们共存于光这个统一体中，是矛盾的对立统一，彼此以对方存在为前提，这就是光的波粒二象性。它排除了非此即彼的形而上学观念〔这正是形式逻辑的重大特征！〕，建立了亦此亦彼的辩证观念，即在一定条件下成认非此即彼，在另一条件下又成认亦此亦彼。对光来说，一定条件下〔大量光子、传播过程、低频率光〕波动性上升为矛盾主要方面，那么波动性显著；而在另一条件下〔个别光子、光与物质作用、高频率光子〕粒子性上升为矛盾主要方面，那么粒子性显著。所谓彼一时也，此一时也，在微观世界里也存在着。在宏观物体来说不可思议的波粒二象性，在微观世界里却是真实的图景。矛盾啊！然而是事实。只有辩证思维才可以把握。恩格斯曾经指出：“常识在它自己的日常活动范围内是极可尊敬的东西，但它一跨入广阔的研究领域，就会遇到惊人的变故。形而上学的思维方式，虽然在相当广泛、各依对象的性质而大小不同的领域是正当的，甚至是必要的，可是它每一次迟早都要到达一个界限，一超过这个界限，它就要变成片面的、狭隘的，并且陷入不可解决的矛盾，……〔?反杜林论?P.19.〕