光是什么？
罗西书
一.远古时期的光现象
光是人类最早认识的自然现象。光学也是物理学最早得到发展的学科之一。远在周朝，我国劳动人民用铜凹镜取火，用铜锡合金制成的镜子照人。公元前400年，《墨经》中，记载了光的直线传播，平面镜、凸面镜和凹面镜成像。宋朝，沈括在《梦溪笔谈》中对小孔成像，凸面镜和凹面镜成像，凹面镜的焦点作了详细的叙述。古希腊和古埃及对光学的研究也作出重要的贡献。十七世纪初，荷兰物理学家李普塞、伽利略和开普勒创造了用于天文观测的望远镜（对掌握研究行星运动规律起了决定性作用）1621年，斯涅耳发现了光传播到两种介质面时，光线传播方向发生改变的光的折射定律。
以上是人类对光的直线传播、反射和折射现象的认识、应用。在此基础上人类不难提出光是什么的疑问。从此，人类对光的研究进入了光的本性研究的时代。
二.光的本性
1.早期的牛顿微粒说：
牛顿根据光的直线传播现象提出，光是从光源飞出来的微粒，在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动。但，他将这些粒子跟实物粒子等同。在牛顿的微粒说的基础上，很容易解释光的直线传播，光的反射和折射现象。但微粒说却不能解释几束光交叉相遇后彼此毫无防碍地继续传播。因为宏观现象中任何两个实物都会改变其运动状态。可见，微粒说能成功地解释一些光现象，但不能解释所有的光现象。光究竟是什么？
2.早期的惠更斯的波动说
惠更斯反对牛顿的微粒说。根据声和光的某些现象的相似性，提出光是一种波。但，他将光波跟机械波等同。惠更斯的光波动说能解释光的反射、折射现象，尤其能解释微粒说不能解释的光照射到两种介质交界面处同时发生的反射、折射现象和几束光交叉相遇后毫无防碍地继续传播。因为，这些波的现象是人类已经认识的波特具有的现象。但，波动说却不能解释光的直进现象。可见，波动说能成功解释许多光现象，但不能解释所有的光现象。
光究竟是什么？牛顿的微粒说理论是否完善？什么样的实验能有力证明光是一种微粒？惠更斯的波动说理论是否完善？能否有实验有力证明光具有波动性？十八世纪，关于光的本性的讨论实际没有解决。
3.光的波粒二象性的建立
（1）光的波动性的确定：
1801年，托马斯·杨用强烈的单色光照射到开有窄缝的不透光的遮光板上，通过窄缝的光又照射到置与单缝之后的开有两条窄缝的不透光的遮光板上。从双缝通过的两列光波就是同频率的，巧妙地获取了相干光源。从双缝后的光屏上明、暗相间的条纹，终于实现了证明光具有波动性的光的干涉实验。
1804年，菲涅耳用一束光照射到开有小孔的不透光的遮光板上，在遮光板之后的毛玻璃屏上，看见了除中央为亮的亮斑，周围是明、暗相间的圆环。成功地实现了光的衍射。之后，夫琅和费单缝衍射实验又问世。以上光的干涉和衍射现象，从实验的角度有力证明光是一种波。那么光波是一种什么性质的波？是否是早期惠更斯认为等同与机械波？
（2）光的波动理论的建立：
1850年，傅科用实验测出光在水中速度比空气中小，表明光波与声波的不同。1865年，麦克斯韦提出了电磁场理论，并预言了电磁波。进而指出光波是一种电磁波，即提出光的电磁说。1888年，赫兹在实验室证实了电磁波的存在。之后，又进一步证明电磁波跟光波一样能发生放射、折射、干涉、折射和偏振现象；光波和电磁波在真空中可以传播，且传播速度相等为c=3×108m/s。以上诸多相同并非巧合、偶然，而是光波就是电磁波的缘故，又一次证明了偶然中存在必然！光的波动理论的建立，澄清了光波的性质。光波不是惠更斯时代提出的宏观波-----机械波。从此，光的波动性得以公认，并得到了迅猛地发展。
1888年，斯托列托夫发现了光电效应现象，即光（含不可见光）照射到金属表面有电子大出的现象。刚刚建立的光的波动理论又陷入了困境。光究竟是什么？
（3）光的粒子性确定、光子说：
光电效应规律告诉我们，（1）任何一种金属都有一个极限频率，当入射光频率小于这个频率时，不能发生光电效应（2）逸出光电子的最大出动能跟入射光强度无关，随入射光频率增大而增大（3）从光开始照射到释放出光电子，整个过程所需时间小于10-9秒（4）当入射光的频率大于金属极限频率且入射光频率不变时，单位时间发射出的光电子数跟入射光频率无关，跟入射光强度成正比。光的波动理论认为，光的能量跟光的强度有关，而跟光的频率无关；光的波动理论还认为入射光的辐射能量是连续分布的。这样光的波动理论跟光电效应现象产生了矛盾，它无法解释光电效应现象及其规律。
1905年，爱因斯坦为解释光电效应现象，在普朗克的量子理论启发下。他认为，既然电磁波在辐射能量时是不连续的，是一份一份的，而每一份电磁波的能量E=hγ, h=6.63×10－34j·s为普朗克恒量，γ 为电磁波的频率。而光波又是电磁波，故爱因斯坦大胆提出，光的传播也是不连续的，是一份一份的，每一份光叫一个光子，光子能量E=hγ, γ为光子的频率，也是光的频率，h仍然为普朗克恒量。这一理论称为光子说。光子说成功解释了光电效应，并有力证明了光具有粒子性。
综上所述，光的干涉、衍射和光的电磁说，成功地从实验和理论上证明光具有波动性；光电效应和光子说，成功的从实验和理论上证明光具有粒子性。那么，光究竟是什么？光的波动性和粒子性仅仅只是矛盾吗？二者能统一吗？
（4）光的波粒二象性
光的所有现象告诉我们，从宏观现象中总结出来的经典理论，对微观粒子不再适用。宏观概念中波和粒子是完全对立的，而光波不是宏观概念中的波，光子也不是宏观概念中实物粒子。所以，光的波动性和粒子性不仅仅只是对立的，二者是统一的。大量光子显示出光的波动性，少量光子显示出光的粒子性；光在传播过程显示光的波动性，光与物质相互作用时，显示出光的粒子性。可见光既具有波动性又具有粒子性。即光具有波粒二象性。
不但光子具有波粒二象性，一切微观粒子都具有波粒二象性。微观粒子的规律不再用经典物理理论解释，而是用继普朗克量子理论之后建立的量子力学去解释。
光学既是物理学中最古老的一门学科，又是当前科学领域中的最活跃的前沿阵地之一。不但具有强大的生命力，而且具有不可估量的社会经济效力。很需要有为之奋斗终身的精神和有这种精神的人。
写于2000年1月修改于2004年10月
发布时间：2006/4/18 下午2:02:42 阅读次数：11114
