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    波粒二象性

    王尚老師微信

    波粒二象性

    波粒二象性主要研究的是光具有波粒二象性。光的波粒二象性是指光既具有波動特性,同時又具有粒子特性。

    科學家們發現光既能像波一樣向前傳播,有時又表現出粒子的特征。因此我們稱光為“波粒二象性”。

    筆者從事物理教學多年,波粒二象性是同學們普遍反映較難理解和接受的內容。在這里,王尚老師舉一個案例,希望同學們能夠基于這個案例來理解。我們來衡量某個人,其實很難用好人或壞人來形容。比如闖王李自成,他有好人的一面:帶領沒有飯吃的農民軍與明朝政府作戰,并推翻了明朝政府。然而,從壞人的一面來看,因為他的起義,導致中華民族斷代了,被滿漢侵略并執政近三百年。

    有人說,迎闖王,闖王來了不納糧。可是不納糧政府如何運作?衙門的衙役和縣太爺吃什么?沒有了衙役和縣太爺,那么社會治安如何來治理?闖王來了,帶著沒飯吃的老百姓搶了縣衙門的糧倉,分了糧食,可吃完了怎么辦?

    光也有兩面性,說它是好人(微粒性)也不對,說它是壞人(波動性),也不全面。這是事實,就這么來理解吧。下述內容很多,主要是從物理學史發展中闡述波粒二象性的建立,內容不需要記憶。

    波粒二象性之波動性

    波粒二象性之光的波動性代表案例

    笛卡兒提出的兩點假說

    在人們對物理光學的研究過程中,光的本性問題和光的顏色問題成為焦點。關于光的本性問題,笛卡兒在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中提出了兩種假說。一種假說認為,光是類似于微粒的一種物質;另一種假說認為光是一種以“以太”為媒質的壓力。雖然笛卡兒更強調媒介對光的影響和作用,但他的這兩種假說已經為后來的微粒說和波動說的爭論埋下了伏筆。

    格里馬第發現了光的衍射現象

    十七世紀中期,物理光學有了進一步的發展。1655年,意大利波侖亞大學的數學教授格里馬第在觀測放在光束中的小棍子的影子時,首先發現了光的衍射現象。據此他推想光可能是與水波類似的一種流體。格里馬第第一個提出了“光的衍射”這一概念,是光的波動學說最早的倡導者。

    1663年,英國科學家波義耳提出了物體的顏色不是物體本身的性質,而是光照射在物體上產生的效果。他第一次記載了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋。這一發現與格里馬第的說法有不謀而合之處,為后來的研究奠定了基礎。

    胡克提出了“光是以太的一種縱向波”

    不久后,英國物理學家胡克重復了格里馬第的試驗,并通過對肥皂泡膜的顏色的觀察提出了“光是以太的一種縱向波”的假說。根據這一假說,胡克也認為光的顏色是由其頻率決定的。

    牛頓用微粒說闡述了光的顏色理論

    1672年,偉大的牛頓在他的論文《關于光和色的新理論》中談到了他所作的光的色散實驗:讓太陽光通過一個小孔后照在暗室里的棱鏡上,在對面的墻壁上會得到一個彩色光譜。他認為,光的復合和分解就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開一樣。在這篇論文里他用微粒說闡述了光的顏色理論。第一次波動說與粒子說的爭論由“光的顏色”這根導火索引燃了。從此胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論。

    1672年2月6日,以胡克為主席,由胡克和波義耳等組成的英國皇家學會評議委員會對牛頓提交的論文《關于光和色的新理論》基本上持以否定的態度。牛頓開始并沒有完全否定波動說,也不是微粒說偏執的支持者。但在爭論展開以后,牛頓在很多論文中對胡克的波動說進行了反駁。由于此時的牛頓和胡克都沒有形成完整的理論,因此波動說和微粒說之間的論戰并沒有全面展開。但科學上的爭論就是這樣,一旦產生便要尋個水落石出。

    波粒二象性之紅光干涉條紋

    惠更斯提出了波動學說比較完整的理論

    波動說的支持者,荷蘭著名天文學家、物理學家和數學家惠更斯繼承并完善了胡克的觀點。惠更斯早年在天文學、物理學和技術科學等領域做出了重要貢獻,并系統的對幾何光學進行過研究。1666年,惠更斯應邀來到巴黎科學院以后,并開始了對物理光學的研究。在他擔任院士期間,惠更斯曾去英國旅行,并在劍橋會見了牛頓。二人彼此十分欣賞,而且交流了對光的本性的看法,但此時惠更斯的觀點更傾向于波動說,因此他和牛頓之間產生了分歧。正是這種分歧激發了惠更斯對物理光學的強烈熱情。回到巴黎之后,惠更斯重復了牛頓的光學試驗。他仔細的研究了牛頓的光學試驗和格里馬第實驗,認為其中有很多現象都是微粒說所無法解釋的。因此,他提出了波動學說比較完整的理論。

    惠更斯認為,光是一種機械波;光波是一種靠物質載體來傳播的縱向波,傳播它的物質載體是“以太”;波面上的各點本身就是引起媒質振動的波源。根據這一理論,惠更斯證明了光的反射定律和折射定律,也比較好的解釋了光的衍射、雙折射現象和著名的“牛頓環”實驗。如果說這些理論不易理解,惠更斯又舉出了一個生活中的例子來反駁微粒說。如果光是由粒子組成的,那么在光的傳播過程中各粒子必然互相碰撞,這樣一定會導致光的傳播方向的改變。而事實并非如此。

    新的波動學說牢固的建立起來

    1882年,德國天文學家夫瑯和費首次用光柵研究了光的衍射現象。在他之后,德國另一位物理學家施維爾德根據新的光波學說,對光通過光柵后的衍射現象進行了成功的解釋。至此,新的波動學說牢固的建立起來了。微粒說開始轉向劣勢。

    隨著光的波動學說的建立,人們開始為光波尋找載體,以太說又重新活躍起來。一些著名的科學家成為了以太說的代表人物。但人們在尋找以太的過程中遇到了許多困難,于是各種假說紛紛提出,以太成為了十九世紀的眾焦點之一。

    菲涅耳在研究以太時發現的問題是,橫向波的介質應該是一種類固體,而以太如果是一種固體,它又怎么能不干擾天體的自由運轉呢。不久以后泊松也發現了一個問題:如果以太是一種類固體,在光的橫向振動中必然要有縱向振動,這與新的光波學說相矛盾。

    為了解決各種問題,1839年柯西提出了第三種以太說,認為以太是一種消極的可壓縮性的介質。他試圖以此解決泊松提出的困難。1845年,斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質進行類比,試圖說明有些物質既硬得可以傳播橫向振動又可以壓縮和延展——因此不會影響天體運動。

    1887年,英國物理學家麥克爾遜與化學家莫雷以“以太漂流”實驗否定了以太的存在。但此后仍不乏科學家堅持對以太的研究。甚至在法拉第的光的電磁說、麥克斯韋的光的電磁說提出以后,還有許多科學家潛心致力于對以太的研究。

    十九世紀中后期,在光的波動說與微粒說的論戰中,波動說已經取得了決定性勝利。但人們在為光波尋找載體時所遇到的困難,卻預示了波動說所面臨的危機。

    波粒二象性之光的微粒性代表案例

    就在惠更斯積極的宣傳波動學說的同時,牛頓的微粒學說也逐步的建立起來了。牛頓修改和完善了他的光學著作《光學》。基于各類實驗,在《光學》一書中,牛頓一方面提出了兩點反駁惠更斯的理由:第一,光如果是一種波,它應該同聲波一樣可以繞過障礙物、不會產生影子;第二,冰洲石的雙折射現象說明光在不同的邊上有不同的性質,波動說無法解釋其原因。另一方面,牛頓把他的物質微粒觀推廣到了整個自然界,并與他的質點力學體系融為一體,為微粒說找到了堅強的后盾。

    為不與胡克再次發生爭執,胡克去世后的第二年(1704年)《光學》才正式公開發行。但此時的惠更斯與胡克已相繼去世,波動說一方無人應戰。

    牛頓由于其對科學界所做出的巨大的貢獻,成為了當時無人能及一代科學巨匠。隨著牛頓聲望的提高,人們對他的理論頂禮膜拜,重復他的實驗,并堅信與他相同的結論。整個十八世紀,幾乎無人向微粒說挑戰,也很少再有人對光的本性作進一步的研究。托馬斯.楊提出了光的干涉的概念和光的干涉定律 十八世紀末,在德國自然哲學思潮的影響下,人們的思想逐漸解放。英國著名物理學家托馬斯·楊開始對牛頓的光學理論產生了懷疑。根據一些實驗事實,楊氏于1800年寫成了論文《關于光和聲的實驗和問題》。在這篇論文中,楊氏把光和聲進行類比,因為二者在重疊后都有加強或減弱的現象,他認為光是在以太流中傳播的彈性振動,并指出光是以縱波形式傳播的。他同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的。1801年,楊氏進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗。實驗所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現象,從而證明了光是一種波。同年,楊氏在英國皇家學會的《哲學會刊》上發表論文,分別對“牛頓環”實驗和自己的實驗進行解釋,首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。

    波粒二象性之托馬斯楊干涉原理圖

    1803年,楊氏寫成了論文《物理光學的實驗和計算》。他根據光的干涉定律對光的衍射現象作了進一步的解釋,認為衍射是由直射光束與反射光束干涉形成的。但由于他認為光是一種縱波,所以在理論上遇到了很多麻煩。他的理論受到了英國政治家布魯厄姆的尖刻的批評,被稱作是“不合邏輯的”、“荒謬的”、“毫無價值的”。

    雖然楊氏的理論以及后來的辯駁都沒有得到足夠的重視、甚至遭人毀謗,但他的理論激起了牛頓學派對光學研究的興趣。

    光的偏振現象和偏振定律的發現

    1808年,拉普拉斯用微粒說分析了光的雙折射線現象,批駁了楊氏的波動說。

    1809年,馬呂斯在試驗中發現了光的偏振現象。在進一步研究光的簡單折射中的偏振時,他發現光在折射時是部分偏振的。因為惠更斯曾提出過光是一種縱波,而縱波不可能發生這樣的偏振,這一發現成為了反對波動說的有利證據。

    1811年,布呂斯特在研究光的偏振現象時發現了光的偏振現象的經驗定律。

    光的偏振現象和偏振定律的發現,使當時的波動說陷入了困境,使物理光學的研究更朝向有利于微粒說的方向發展。

    面對這種情況,楊氏對光學再次進行了深入的研究,1817年,他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法,提出了光是一種橫波的假說,比較成功的解釋了光的偏振現象。吸收了一些牛頓派的看法之后,他又建立了新的波動說理論。楊氏把他的新看法寫信告訴了牛頓派的阿拉戈。

    菲涅耳與阿拉戈建立了光波的橫向傳播理論

    1817年,巴黎科學院懸賞征求關于光的干涉的最佳論文。土木工程師菲涅耳也卷入了波動說與微粒說之間的紛爭。在1815年菲涅耳就試圖復興惠更斯的波動說,但他與楊氏沒有聯系,當時還不知道楊氏關于衍射的論文,他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強度。事實上他的理論與楊氏的理論正好相反。后來阿拉戈告訴了他楊氏新提出的關于光是一種橫波的理論,從此菲涅耳以楊氏理論為基礎開始了他的研究。1819年,菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產生的相干光源進行的光的干涉實驗,繼楊氏干涉實驗之后再次證明了光的波動說。阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時間之后,轉向了波動說。1819年底,在非涅耳對光的傳播方向進行定性實驗之后,他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。

    光電效應原理

    光的波粒二象性的建立

    1887年,德國科學家赫茲發現光電效應,光的粒子性再一次被證明!

    二十世紀初,普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學說。

    1905年3月,愛因斯坦在德國《物理年報》上發表了題為《關于光的產生和轉化的一個推測性觀點》的論文他認為對于時間的平均值,光表現為波動;對于時間的瞬間值,光表現為粒子性。這是歷史上第一次揭示微觀客體波動性和粒子性的統一,即波粒二象性。這一科學理論最終得到了學術界的廣泛接受。

    1921年,愛因斯坦因為”光的波粒二象性”這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎。

    1921年,康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性。1927年,杰默爾和后來的喬治·湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質。同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質。
    爭論結束

    在新的事實與理論面前,光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。

    即:光既是一種波也是一種粒子!

    愛因斯坦

    波粒二象性:在激烈的爭辯中發展

    光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初笛卡兒提出的兩點假說開始,至二十世紀初以光的波粒二象性告終,前后共經歷了三百多年的時間。

    牛頓、惠更斯、托馬斯.楊、菲涅耳等多位著名的科學家成為這一論戰雙方的主辯手。正是他們的努力揭開了遮蓋在“光的本質”外面那層撲朔迷離的面紗。

    波粒二象性典型實驗

    波動性的典型實驗:托馬斯楊雙縫干涉、泊松亮斑、牛頓環。

    微粒性的典型實驗:光電效應。

    波粒二象性與光電效應

    光電效應說明的問題:光電效應說明光具有微粒性。

    波粒二象性與量子力學

    波粒二象性是量子力學的基礎,在波粒二象性的建立過程中(微粒學說與波動學說的辯論中),量子力學得到了廣闊的發展。

    波粒二象性學習問題與王尚老師回復

    王尚老師物理答疑

    學生問題1:什么是光電子?

    王尚老師:顧名思義,光電子就是光激發出來的電子。具體定義如下:光照射到某些物質上,引起物質的電性質發生變化:該物質的電子俘獲能量后克服原子核的束縛,逃逸出來(形成電流)。這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應。金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應,發射出來的電子叫做光電子。請同學們借助物理自診斷專題45的例題與我的視頻講解來理解這個考點,以及光電效應的其他知識內容。

    學生問題2:課本上光電管是來干嘛的?

    王尚老師:咱們教材課本講解光電管,從前后邏輯關系來看,其目的有兩個:其一,通過截止電壓的測量,來求解金屬的逸出功。其二,進一步驗證光電效應方程的準確性,為波粒二象性理論做論證案例。請同學們借助物理自診斷專題45的例題與我的視頻講解來理解這個考點,以及光電效應的其他知識內容。

    學生問題3:光電管的公式eU=Ek是加速電子的嗎?  

    王尚老師:光電管的公式eU=Ek并不是用來計算加速電子的速度的,而是用來計算截止電壓的。通過調節滑動變阻器P的位置,令電流表(電流計)G的示數為零,此時電壓表測量的電壓,即為截止電壓。截止電壓滿足公式:eU=Ek。這個公式指的是,在激發出光電子反方向上添加的一個電壓,剛好讓動能為Ek的電子,達不到電極的另外一端,進而形成電流。請同學們借助物理自診斷專題45的例題與我的視頻講解來理解這個考點,以及光電效應的其他知識內容。

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    作者:王尚,蘇陽。校正:齊思源。版權歸屬高中物理網(www.q6113.com),嚴禁轉載。

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