光的波粒二象性

第十三章 光 第十七章 波粒二象性

一、光的直线传播

1.光在同一种均匀介质中是沿直线传播的

前提条件是在同一种介质，而且是均匀介质。否则，可能发生偏折。如光从空气斜射入水中（不是同一种介质）；“海市蜃楼”现象（介质不均匀）。

2.光速

光在真空中的转播速度为c=3.00×108m/s。

光在不同介质中的传播速度是不同的。根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过c。

二、反射 平面镜成像

1.像的特点：平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面为对称。

2.光路图作法：根据平面镜成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补光路图。

三、折射与全反射

1.折射定律

折射定律的各种表达形式：021sin1sinsinCvcn (θ1为入、折射角中的较大者。)

折射光路也是可逆的。

2.各种色光性质比较

可见光中，红光的折射率n最小，频率ν最小，在同种介质中（除真空外）传播速度v最大，波长λ最大，从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C最大，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。

3.边作图边计算：

有关光的折射和全反射，在解题时要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步在根据需要算一步。作图要依据计算结果，力求准确。

例1 直角三棱镜的顶角α=15°, 棱镜材料的折射率n=1.5，一细束单色光如图所示垂直于左侧面射入，试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线。

答：

4.光导纤维

全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）。光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。

例2如图所示，一条长度为L=5.0m的光导纤维用折射率为n=2的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以α= 45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。求：⑴该激光在光导纤维中的速度v是多大？⑵该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？

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.〕

口ＥＮ［Ｅ科学・论　

从光的波粒二象性谈起　

文／刘泰祥　粒子性，它们的适用范围是不同的，即讨论　的，即光由粒子组成，称之为光子。光子　

光与物质（物体）相互作用时粒子性有效，　的能量（Ｅ　）可表示为：Ｅ　＝ｈｖ　引言　讨论光在空间中的运动时波动性有效。　笔者认为，“谐振子”的概念是普朗　

光是粒子还是波？科学界争论了几　现代物理学还告诉我们，不论任何　克为理解他的黑体辐射公式而提出的，　

百年，直Ｎ２ｏ世纪２０年代提出“波粒二象　物体，构成物体的分子或原子之间存在　它未必是一种真实的存在。因为“谐振　性”后，才告一段落。然而波和粒子的解释　着间隙、原子核与电子之间也存在间隙等　子”无法被直接观测，实际上我们是通过　

相互不协调，自量子论诞生以来，许多物　等。总之，一个物体就是由悬浮于空间中　观测“谐振子”发出的光子来间接理解　

理学家和哲学家都顽强地拼搏过这个问　的各级粒子通过不同作用关系逐级构成　它的。换言之，“谐振子”的能量Ｅ　是通　

题　，遗憾的是都无果而终。虽然“光具有　的一个松散结构的聚合体。　过它发出的光子的能量Ｅ　反映出来的。　

波粒二象性”己被人们广泛接受，但笔者　如上所述，根据接触的相对性原理　可见，Ｅ　与Ｅ　是同一个物理量。于是有：　认为，这仅是一种限于当时科技和认识水　［。　可知，任何物体或粒子间的相互作用都　Ｅｖ＝Ｅｒ＝ｎ￡ｏ＝ｈｖ　

平而被迫妥协的结果，许多人将它视为一　是在一定间隙下通过场传递的。也就是　上式中，　０不再是“谐振子”中的能　

个权宜之计，而不是一个终极的答案。　说，无论一个光子与某个物体作用与否，　量子，而应理解为光子中的能量子。由此　１．光束与单光子在干涉机制上的矛　光子始终处于空间之中。而无论物体内的　可知，光子的能量Ｅ　是能量子　ｏ的整数　

盾　空间还是物体外的空间，它们都是整个　倍。换言之，光子是由若干能量子ｅ。构成　

在科学界，杨氏双缝干涉实验被视　连续空间的一部分，光的粒子性和波动　的，光子所含能量子的数量越多，光子的　

光的波粒二象性

作为被列入世界上十大经典物理实验之一的双缝实验，让很多物理学家和科学家们伤透脑筋。双缝实验是一种光学实验，大家一起往下看吧。

在量子力学里，双缝实验是一种演示光子或电子等等微观物体的波动性与粒子性的实验。双缝实验是一种“双路径实验”。在这种更广义的实验里，微观物体可以同时通过两条路径或通过其中任意一条路径，从初始点抵达最终点。

这两条路径的程差促使描述微观物体物理行为的量子态发生相移，因此产生干涉现象。另一种常见的双路径实验是马赫-曾德尔干涉仪实验。双缝实验还被列入了世界十大经典物理实验之中，但是有人却认为双缝实验十分的难以理解。如果电子是互不干涉地运动，穿过双缝落到黑板上是两道痕迹。如果电子是以波的形式运动，由于波之间存在干涉，穿过双缝落到黑板上是一道道痕迹。一开始实验表明电子以波的形式运动。即使一个个电子发射，黑板上还是一道道痕迹。于是科学家想知道为什么一个个电子发射也会有波的现象，于是将高速摄像机对准双缝以便观察。重点来了：当想进一步观察时，粒子却是是互不干涉地运动，穿过双缝落到黑板上是两道痕迹!!!双缝实验，著名光学实验，在1807年，托马斯·杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作，并在里面第一次描述了双缝实验：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源)。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这就是现在众人皆知的双缝干涉条纹。

试验本身没什么问题，证明了光有波粒二象性，但是科学家们想观察清楚如何会这样，于是他们在微观层面上来观察，架设高速摄像机，观察光子是如何一个一个通过缝隙形成波干涉的，这时候神奇的事情出现了，光子波的特性消失了!又变成人类最容易理解的粒子，只出现了两条条纹。这才引出了超级可怕和诡异的电子双缝干涉实验和后来石破天惊的的“延迟选择实验”，给整个人类带来了前所未有的思想冲击。单光子双缝干涉实验现在有一种仪器，每次只发射出一个光子，这时如果遮板上仍然有两个缝隙A和B(遮板与上述传统实验一样)。依照传统理论，该光子每次有且仅有以下三种情况中的一种：被遮板挡住、通过A缝、通过B缝 。