光的波粒二相性.doc

光的波粒二相性理论的建立光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终， 前后共经历了三百多年的时间牛顿、惠更斯、托马斯杨、菲涅耳等多位著名的科学 家成为这一论战双方的主辩手正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑 朔迷离的面纱跨世纪的争论引出了量子力学的诞生，它是描述微观世界结构、运动与 变化规律的物理科学，是20 世纪人类文明发展的一个重大飞跃，引发了一系列划时代 的科学发现与技术发明，对人类社会的进步做出重要贡献在现代科学技术中的表面物 理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等 学科的发展中，都有重要的理论意义我们的现代文明，从电脑、电视、到核能、 航天、生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论i. 光的微粒说一般，人们都认为牛顿是微粒说的代表，牛顿于1675 年曾提出：“光是一群难以 想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出 来”用这样的观点，解释光的直进性、影的形成等现象是十分方便的在解释光的反 射和折射现象时，同样十分简便当光射到两种介质的界面时，要发生反射和折射在 解释反射现象时，只要假设光的微粒在与介质作用时，其相互作用，使微粒的速度的竖 直分量方向变化，但大小不变；水平分量的大小和方向均不发生变化（因为在这一方向 上没有相互作用），就可以准确地得出光在反射时，反射角等于入射角这一与实验事实 吻合的结论。

说到折射，笛卡儿曾用类似的假设，成功地得出了入射角正弦与折射角正弦之比为 一常数的结论但当光从光疏介质射向光密介质时，发生的是近法线折射，即入射角大， 折射角小这时，必须假设光在光密介质的传播速度较光在光疏介质中的传播速度大才 行 一束光入射到两种介质界面时，既有反射，又有折射何种情况发生反射，何 种情况下又发生折射呢？微粒说在解释这一点时遇到了很大的困难为此，牛顿提出了 著名的“猝发理论”他提出：“每一条光线在通过任何折射面时，便处于某种为时短暂 的过渡性结构和状态之中在光线的前进过程中，这种状态每隔相等的间隔（等时或等 距）内就复发一次，并使光线在它每一次复发时，容易透过下一个折射面，而在它（相 继）两次复发之间容易被这个面所反射”，“我将把任何一条光线返回到倾向于反射（的 状态）称它为‘容易反射的猝发'，而把它返回到倾向于透射（的状态）称它为‘容易 透射的猝发'，并且把每一次返回和下一次返回之间所经过的距离称它为‘猝发的间隔'” 如果说“猝发理论”还能解释反射和折射的话，那么，以微粒说解释两束光相遇后，为 何仍能沿原方向传播这一常见的现象，微粒说则完全无能为力了ii. 光的波动说十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。

1655 年，意大利波仑亚大学的数学 教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象据此他 推想光可能是与水波类似的一种流体格里马第设计了一个实验：让一束光穿过一个小孔，让这束光穿过小孔后照到暗室 里的一个屏幕上他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了格里马第进行了进一步的 实验，他让一束光穿过两个小孔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倡导者波义耳提出了物体的颜色光照射在物体上产生的效果 1663 年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物 体上产生的效果他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹这一发现与格里马第 的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观 察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由 其频率决定的波动说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克• ••iii的观点。

惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学等领域做出了重要贡献，并系统的对 几何光学进行过研究1666 年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始了对物理光 学的研究在他担任院士期间，惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿二人彼此十 分欣赏，而且交流了对光的本性的看法，但此时惠更斯的观点更倾向于波动说，因此他 和牛顿之间产生了分歧正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情回到巴黎 之后，惠更斯重复了牛顿的光学试验他仔细的研究了牛顿的光学试验和格里马第实验， 认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的因此，他提出了波动学说比较完整的理 论 惠更斯认为，光是一种机械波；光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传 播它的物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源根据这一理 论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好的解释了光的衍射、双折射现象 和著名的“牛顿环”实验如果说这些理论不易理解，惠更斯又举出了一个生活中的例 子来反驳微粒说如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞， 这样一定会导致光的传播方向的改变而事实并非如此光的量子说光电效应由德国物理学家赫兹于1887 年发现，对发展量子理论起了根本性作用。

1887年，首先是赫兹(M.Hertz)在证明波动理论实验中首次发现的当时，赫兹发 现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花大约1900年，马克思•布兰科(MaxPlanck )对光电效应作出最初解释,并引出 了光具有的能量包裹式能量(quantised )这一理论他给这一理论归咎成一个等式， 也就是E=hf , E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一个常数，统称布兰科常数 (Planck's constant),而f就是光源的频率也就是说，光能的强弱是有其频率而 决定的但就是布兰科自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定1902年，勒纳( Lenard) 也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的 现象但无法根据当时的理论加以解释 1905 年，爱因斯坦 26 岁时提出光子假设， 成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖他进一步推广了布兰科的理论， 并导出公式，Ek二hf-W, W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量而Ek呢就是 电子自由后具有的势能爱因斯坦用光量子理论对光电效应提出理论解释后，最初科学界的反应是冷淡的， 甚至相信量子概念的一些物理学家也不接受光量子假说。

尽管理论与已有的实验事实并 不矛盾，但当时还没有充分的实验来支持爱因斯坦光电效应方程给出的定量关系直到 1916 年，光电效应的定量实验研究才由美国物理学家密立根完成密立根对光电效应进行了长期的研究，经过十年之久的试验、改进和学习，有效地 排除了表面接触电位差等因素的影响，获得了比较好的单色光他的实验非常出色，于 1914年第一次用实验验证了爱因斯坦方程是精确成立的，并首次对普朗克常数）作了 直接的光电测量，精确度大约是0.5%（在实验误差范围内）1916 年密立根发表了他的 精确实验结果，他用6 种不同频率的单色光测量反向电压的截止值与频率关系曲线关系， 这是一条很好的直线，从直线的斜率可以求出的普朗克常数结果与普朗克1900年从 黑体辐射得到的数值符合得很好光电效应现象是赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时偶然发现的， 而这一现象却成了突破麦克斯韦电磁理论的一个重要证据爱因斯坦在研究光电效应时 给出的光量子解释不仅推广了普朗克的量子理论，证明波粒二象性不只是能量才具有， 光辐射本身也是量子化的，同时为唯物辩证法的对立统一规律提供了自然科学证据，具 有不可估量的哲学意义这一理论还为波尔的原子理论和德布罗意物质波理论奠定了基 础。

密立根的定量实验研究不仅从实验角度为光量子理论进行了证明，同时也为波尔 原子理论提供了证据1921 年，爱因斯坦因建立光量子理论并成功解释了光电效应而获得诺贝尔物理学 奖1922 年，玻尔原子理论也因密立根证实了光量子理论而获得了实验支持，从而获 得了诺贝尔物理学奖1923 年，密立根“因测量基本电荷和研究光电效应”获诺贝尔物理学奖。