光的波粒二象性

光的波粒二象性
━━本章总结
一部光学说的发展史，就是人类认识光本性的认识史。

让我们再次作一个简略的回顾，肯定比第一课有更深刻的理解。

光的干涉、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，保留了波的特质，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，也无法解释光的干涉、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、发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。

后来发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，无法划清界线，更无法绝对独立，谁都不能说自己就是客观真理。

光学说发展到此，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，即在一定条件下承认非此即彼，在另一条件下又承认亦此亦彼。

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，则波动性显著；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，则粒子性显著。

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达
到一个界限，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.）
一切都依时间、地点、条件为转移，所以要对具体问题作具体析，才能准确把握对象的情况，作出正确的认识。

６、（１）、光子说并没有否定电磁说。

光子有能量Ｅ＝ｈυ＝ｈｃ／λ，光子有动量ｐ＝ｈυ/ｃ＝ｈ/λ，Ｅ、Ｐ是粒子特征，υ、λ是波的特征。

它们共同揭示了光的波粒二象性，在这两个公式中，光的波粒二象性被很好地统一起来。

彼此含有对方的成份，无法分开。

（２）课文Ｐ２５１介绍了一个光的波粒二象性怎样统一起来的绝妙实验，从中得出个别光子的行为粒子性显著，大量光子的行为波动性显著。

可见，对于宏观物体来说不可想象的波粒二象性，在微观世界中却是不可避免的事实。

这里只有一个质的差别：不能把光波看作宏观力学中的介质波、连续波，也不能把光子当作宏观世界中的实物粒子、质点。

随着研究对象的不同，我们的观念，方法也要变，宏观现象和微观现象的研究方法、理解方式是很不相同的。

（３）从各种频率的电磁波的探测来理解
光子能量（数量级）易被探测到容易观察到不易观察到
无线电波10-9ev 大量光子作用波动性粒子性
可见光100 ev 大量光子作用波动性粒子性
100 ev 个别光子作用粒子性波动性
Ｘ射线103 ev 个别光子作用粒子性波动性
γ射线104 ev 个别光子作用粒子性波动性
从表中实验观察结果可以看出：频率低的光波动性显著，频率高的光子性显著。

总之，要理解多种频率的电磁波（或者说各种频率的光子），就必须综合运用波动观点和粒子观点，这是由于二者是光不可分割的属性，即波粒二象性。

至此，我们终于认识到微观世界具有的特殊规律。

７、下面对光的波粒二象性作个简短的总结：
（１）、光波有一定的频率和波长，光子有一定的能量和动量，是个矛盾对立的统一体，彼此含有对方的成份，共存于光的统一体中。

Ｅ＝ｈυ＝ｈｃ／λ，ｐ＝ｈυ／ｃ＝ｈ／λ。

（２）只有一个差异：在一定条件下波动性显著，在另一条件下粒子性显著，即我们观察到这对矛盾的主要方面。

具体地说就是：
光在传播过程中波动性显著，光在与物质作用时粒子性表现显著。

大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果则显示出粒子性。

频率越低的光，波动性越显著，频率越高的光，粒子性越显著。

８、光的波粒二象性的革命意义：推广到一切微粒都具有波粒二象性。

假说──实验证明──成功──假说成了科学──物质波，λ＝ｈ／ｍｖ。

原来微观世界尽管千差万别，却又有共同的规律──波粒二象性，这大大扩展和深化了人
们对物质世界的认识，并为进一步研究微观世界提供了思想武器。