四、光的波粒二象性

光的干涉、衍射和偏振等现象无可争辩地表明光具有波动性，而光电效应又无可争辩地表明光是具有能量 E = hν 的光子流，也就是说光具有粒子性。这样，已经退出历史舞台的光的微粒说，在二十世纪初又以新的形式被重新提了出来。当然人们现在对光的粒子性的认识比起十七世纪牛顿提出微粒说时已经大不相同。人类对光的本性的认识经过曲折的发展过程已经越来越深入了。现在，人们认识到，光既具有波动性，又具有粒子性，也就是说，光具有波粒二象性。

十七世纪的微粒说和波动说是互相对立的两种学说，都企图用一种观点去说明光的本性，这是受了传统观念的影响。传统观念是我们在观察周围世界的宏观现象中形成的，波动性和粒子性在宏观现象中是互相对立的、矛盾的，没有任何宏观物体既有波动性、又有粒子性。对于宏观物体来说，波粒二象性是不可想像的。

但是，对于光子这样的微观粒子，却只有从波粒二象性出发，才能说明它的各种行为。实际上，光子说并没有否定光的电磁说，光子的能量 E = hν，其中的频率 ν 表示的仍是波的特征。此外，从光子说和电磁说还往往得到一致的结论。例如，光子说和电磁说都可以推导出光具有动量，并且为实验所证实，光子说的结论是光子的动量 p = \(\frac{{h\nu }}{c}\)，电磁说的结论是辐射能 E 具有的动量是 p = E/c。由于光子的能量 E = hν，所以从这两个学说得到的结论是一致的，由于 c = λν，光子的动量也可以写成 p = \(\frac{h}{\lambda }\)，式中的波长 λ 表示的也是波的特征。可见，对于宏观物体来说不可想像的波粒二象性，在微观世界却是不可避免地必须予以承认的现实，接受光的波粒二象性，就要求我们既不可把光当成宏观观念中的波，也不可把光当成宏观观念中的粒子。

那么，在微观世界中，波和粒子又是怎样统一起来的呢？物理学家做的下述实验可以帮助我们理解这个问题。在光的双缝干涉实验中，在像屏处放上照相底片，并设法减弱光流的强度，由于每个光子的能量 hν 可以从频率 ν 算出，因此进一步从光流的能量可以算出所含光子的数目。这样就可以使光流减弱到使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些无规则分布的点子，那些点子是光子打在底片上形成的，表现出光的粒子性。这些点子的分布是无规则的，可见光子的运动跟我们在研究宏观现象时假设的质点的运动不同，没有一定的轨道。如果曝光时间足够长，底片上就出现了规则的干涉条纹，就象用强光经短时间曝光后产生的一样。可见，光的波动性是大量光子表现出来的现象。在干涉条纹中，那些光波强度大的地方，也就是光子到达机会多的地方，或者说，是光子到达的几率大的地方；光波强度小的地方，是光子到达的几率小的地方，所以从这种意义上，可以把光的波动性看做是表明大量光子运动规律的一种几率波。

一般说来，大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性，让我们稍稍详细地说明一下。

无线电波的频率较低，波长较长，这种电磁波的“光子”的能量很低，以频率为 1 兆赫的无线电波来说，它的“光子”的能量只有 4×10⁻⁹ 电子伏，能量这样低，只有非常大量的“光子”才能使接收装置发生反应。较好的接收机大约要每秒收到 10¹⁰ 个这样的“光子”才起作用，所以，这部分电磁波的波动性很容易观察到，要观察这部分电磁波的粒子性，觉察个别“光子”的作用，却是非常不容易的。

可见光的频率范围大致是 4×10¹⁴ ~ 8×10¹⁴ 赫，这种光子的能量大约是几个电子伏。人造的仪器设备既可以比较容易地探测到大量的这种光子的作用，也可以比较容易地探测到少数这种光子的作用，因此这种电磁波的波、动性和粒子性都能够比较容易地观察到。

随着电磁波频率的增大，波长越来越短，波动性就越来越不显著，而粒子性却越来越明显了。伦琴射线的光子的能量大约是几千电子伏，γ 射线的光子的能量在几兆电子伏以上。个别 γ 射线的光子很容易探测出来，而要看到它们的干涉、衍射现象却很困难了。伦琴射线只有用晶体作衍射光栅才能看到衍射图样，因为晶体内粒子间的距离恰好是 10⁻¹⁰ 米左右。至于 γ 射线，连用晶体作衍射光栅也不行，因为晶体里粒子间的距离，比它的波长大得不可比拟。总之，要理解各种频率的电磁波，我们必须综合运用波动的观点和粒子的观点，而且要注意到，这里的波动并不等同于宏观世界里的机械波，这里的粒子也不等同于宏观世界里的质点。

发布时间：2025/7/4 下午8:28:34  阅读次数：219