光的微粒说与波动说.doc

一、光的微粒说与波动说光的本性是什么？三百多年来，它一直是令人困扰，久盛不衰的课题，它牵动着那么多物理学家的神经，使他们忘寝废餐、苦苦求索一代又一代才华横溢、学识渊博的学者、泰斗被卷入争论的旋涡，一座又一座“迷宫”出现在他们面前这场争论极大地影响和推动了近代科学发展的进程，直接导致了《相对论》的诞生追寻往事，令人感叹，发人深省1．根深蒂固的微粒说远在古希腊时代，亚里士多德等先哲即对光的本性深感兴趣他们认为光是从物体发出、射入眼睛引起视觉的客观现象，并总结出光的基本性质是：1、光在均匀媒质中直线传播；2、光线相互交汇时互不扰乱对方十七世纪文艺复兴时期逐渐形成了光本性的两种学说－－微粒说与波动说 17世纪的科学巨匠牛顿，也是光学大师关于光的本性，牛顿是这样认为的：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒说．牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持但是，微粒说并不是“万能”的，比如，它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。

为了解释这些现象，和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯，提出了与微粒说相对立的波动说惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播的现象波动说不但解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播，而且解释了光的反射和折射现象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反谁是谁非，拉开了近代科学史上关于光究竟是粒子还是波动的激烈论争的序幕尽管波动说可以解释不少光学现象，但由于它很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以没有得到广泛的支持再加上当时受实验条件的限制，还无法测出水中的光速，便无法判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设究竟谁对谁错尤其是牛顿在学术界久负盛名，他的拥护者对波动说横加指责，全盘否定，终于把波动说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿迹而微粒说盛极一时，在光学界称雄整个18世纪2．英姿焕发的波动说进入19世纪以后，曾被微粒说压得奄奄一息的波动说重新活跃起来一个个崭新的实验事实，使波动说雄姿英发，应付自如，进入了一个“英雄时期”第一位向微粒说发起冲击的是牛顿的同胞托马斯•杨1801年，年轻的托马斯•杨一针见血地说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的。

我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威也许有时阻碍了科学的进步托马斯•杨为了证明光是一种波，他在暗室中做了一个举世闻名的光的干涉实验我们知道，干涉现象是波动的一个特性，托马斯•杨的成功，证明了光确实是一种波，它只有用波动说才能解释，微粒说对此一筹莫展给微粒说以沉重打击的第二个实验是光的衍射实验衍射现象也是波的基本特性之一，这是一种波在传播过程中可以绕过障碍物，或穿过小孔、狭缝而不沿直线传播的现象法国物理学家菲涅尔设计了一个实验，成功地演示了明暗相间的衍射图样，在微粒说看来，光的衍射现象则是不可理解的给微粒说以致命打击的是对光速值的精确测定牛顿和惠更斯在解释光的折射现象时，对于水中光速的假设是截然相反的，谁是谁非，难以证实到了19世纪中叶，法国物理学家菲索和付科，分别采用高速旋转的齿轮和镜子，先后精确地测出光在水中的传播速度只有空气中速度的四分之三又一次证明了波动说的正确性经过反复较量，波动说终于压过了微粒说，取得了稳固的地位到19世纪60年代，麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律，建立了光的电磁理论到80年代，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。

利用光的电磁说，对于以前发现的各种光学现象，都可以做出圆满的解释这一切使波动说锦上添花，使它在同微粒说的论战中，取得了无可争辩的胜利3．重整旗鼓的微粒说正当波动说欢庆胜利的时候，意外的事情发生了，以太存在的否定和光电效应的发现，这些新的实验事实又一次要置波动说于死地波动说认为，光是依靠充满于整个空间的连续介质——以太做弹性机械振动传播的为了验证以太的存在，1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷使用当时最精密的仪器，设计了一个精巧的实验结果证明，地球周围根本不存在什么机械以太没有以太，光波和电磁波是怎样传播的呢？面对这一波动说难以克服的困难，微粒说跃跃欲试光电效应的发现，使微粒说再次“复辟登基”所谓光电效应，就是指金属在光的照射下，从金属表面释放出电子的现象，所释放的电子叫做光电子大量的实验证明，光电效应的发生，只跟入射光的频率有关，只要入射光的频率足够高，不管它强度多弱，一旦照射到金属上，立刻就有光电子飞出而从波动说的观点看，光电效应是绝对无法理解的因此，波动说完全陷入了困境而爱因斯坦运用光量子说——全新意义上的微粒说，把光电效应解释得一清二楚至此，光的微粒说又昂首挺胸，活跃在科学的舞台上。

但是，爱因斯坦并没有抛弃波动说，而是把二者巧妙地结合在一起，并辨证地指出：“光——同时又是波，又是粒子，是连续的，又是不连续的自然界喜欢矛盾……”，这一思想充分体现在他的光量子理论的两个基本方程E＝hv和p＝（h/λ）中，把粒子和波紧密地联系在一起4．波动粒子归一统光子说并没有否定波动说，正像波动说不能否定微波说一样，照实说来，光子具有波粒二象性波动性和粒子性在宏观现象中是互相对立的、矛盾的，没有任何一个宏观物体可以同时具有波动性和粒子性但对于光子这样微观粒子，即只有从波粒二象性出发，才能说明它的各种行为，光子的能量E=hv，频率v表现的仍是波的特征可见对宏观物体不可想象的波粒二象性，在微观世界确是不可避免的在微观世界中，波和粒子又是怎样统一起来的呢？以双逢干涉实验为例，设法减弱光线强度，使光子只能按次序一个一个地通过狭缝若曝光时间不太长，底片上只出现若干不规则分布的斑点，那是由光子打在底片上形成的它表现了光子的粒子性，也说明光子的运动无一定轨迹，与宏观粒子不同若曝光时间足够长，底片上出现了规则的干涉条纹，表现了光的波动性可见波动性是大量光子的集体表现；干涉图像中光强度大的地方；亦使光子到达几率大的地方；光强度小的地方，则是光子到达几率小的地方。

在光具有波粒二象性启发下，法国物理学家德布罗意(L.V.debroglie1892—1987)于1924年提出假说，认为不仅光子具有波粒二象性，一切微观粒子－－包括质子、中子、电子都具有波粒二象性，质量为M，以速度v运动的任何粒子所具有的粒子波长为 上式称为德布罗意公式，该公式不久即为实验所证实人们先后以电子、原子、分子射线替代光波，得到了清晰的衍射图样照片，于是人们把这种波叫做德布罗意波或物质波光的微粒说与波动说的发展史至此告一段落，然而人们对光的本性的探讨并末就此终止对发光机制的研究导致了“光谱学”的建立，促进了对物质结构的深入探讨，并最终发展为量子力学，相对论和量子力学对揭开微观世界的奥秘奠定了科学的理论基础 二、爱因斯坦的贡献当你出国玩，看到美丽的风景或全然不同的风土民情，于是你拿出数码照相机拍照，之后你将影像输入计算机，透过因特网越过大洋，传回国内给你的亲朋好友，让他们分享你所看到的奇山异水和其它民族的文化当你回国后，你可以将此行的所见所闻，用激光打印机把鲜活的照片印出来，又或者以CD或DVD刻录机，将这些照片的档案，烧制于CD或DVD片中，作为这次旅行永久保存的纪念品上面描述的每一个过程中所使用的电子产品或设备，之所以能够完成它的功能，都要感谢爱因斯坦近一个世纪前在物理学上的发现。

站在爱因斯坦的肩膀上，我们看到更高更远的世界，从数码照相机到激光打印机，爱因斯坦对电子产品的贡献真不小！一．解剖数码相机我们先从数码照相机说起，数码照相机的心脏就是它内部的电荷耦合器件（CCD）感光组件，所以又称为CCD照相机当按下数字照相机快门的一瞬间，你所要摄取的影像以光的形式穿过镜头，在CCD感光组件上重现CCD感光组件上，有数十万至数百万个四方形的小单元（称为像素），整个影像就是成像在这些像素上，每一个像素会将曝光在其面积上的光强度转换成电讯号从光的讯号转换成电的讯号，靠的就是爱因斯坦在1905年时提出的光电效应他指出，光具有波动和粒子两种性质，如果把光视为粒子时（称为光子），每一个光子所具有的能量就是光的频率和普朗克常数（h）的乘积，光线越强代表光子数目越多当光照在某种材料时，如果材料上的电子获得一个光子的能量，恰可摆脱材料的束缚，那么这材料就会吸收一个光子而放出一个电子在CCD感光组件上，电子经由光电效应释放出来后，会被CCD感光组件上的不导电层所阻挡，而无法逃脱，所以这些电子就会累积在光线所照的位置上直到照相机的快门关上前，光子不断进来，电子就会持续累积在CCD感光组件的像素上，累积的电子数目，和进来的光子数目成正比，也就是和光强度成正比。

当快门关上时，再以数字照相机上的微处理器计算每个像素上所累积的电子数目，也就是对应到这个像素的光强度，当CCD感光组件上所有像素的光强度都依序获得后，就能建立起整体的影像二．激光小兵立大功你在地球上每个角落仍能随时将信息传回家，所使用的因特网，则是靠着越洋光纤通讯系统连结在一起虽然光纤通讯系统能够发展到今天的地步，是由许许多多的科学家和工程师共同的努力才达成的，但远距光纤通讯能够实现，没有激光是无法达成的而激光的出现，是源自于1917年爱因斯坦所提出的“受激辐射”概念，但是直到1954年才真正被设计出来雷射光源和一般的光源所发出的光有什么不同呢？主要的差别在于一般的光源因为其发光机制是自发辐射，每个光子的方向、频率等都不一致，所以一般光源没有指向性，所发出的光会往四面八方散去，且光的频率分布得很广而雷射光源则因其所发出的光子方向完全相同，所以这样的光源有很好的指向性（激光束的指向性只受限于绕射极限，这取决于光的波动性质），也可以发出单一频率的光此外，激光的光子因为有相同的相位，因此会有很好的同步性所以在应用上，凡是需要具有很好的指向性、精确单一频率，或者需要有良好同步性的光源时，激光光源就成了唯一的选择。

也因为激光光源有这些好的特质，所以远距光纤通讯会以激光作为其光源，让激发光或不发光代表1或0，将光子经由光纤传至远方，再由远方的光侦测器，以光电效应将光的讯号转变回0或1的电子讯号，而将信息传达过去至于CD或DVD刻录机，是利用较高强度的激光，精确聚焦，照射在CD或DVD片的某一层特殊材料上，经由激光和材料的交互作用，可以使其由透明变成不透明，以透明或不透明来代表写入的是0或1因为激光可以很精确地照射在很小的面积上，所以一片小小的盘片上可以储存非常大量的信息；而读取器则是利用较弱的激光，聚焦照射在同一块小面积，以光线是否能穿透，来读取0或1的信息常见的激光打印机则是另一种利用激光的电子产品它作用的机制是设法让一个滚筒上带着电荷，以高度指向的激光在滚筒上扫描，将所要印出来的图案画在滚筒上因为滚筒的表面是一层受到光照射后会导电（其作用则类似光电效应）的特别材料，所以受雷射光照射的位置，其上的电荷会离开，而不受光照射的位置，电荷会留下如此一来，滚筒上某些部位会吸附碳粉粒子，而其它部位不会，之后再设法将这些碳粉粒子转印并固定在纸张上，就可完成打印因为激光高度的指向性及同步性，可以使光束聚集在很小的一块区域，因此激光打印机能够做非常精细的打印。

除了上述几项电子产品外，还有许多其它各式应用，是利用激光光源或光电效应的光侦测器，如空。