歐陽義忠

摘 要：光的本性的研究伴隨著整個基礎(chǔ)物理的發(fā)展，光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象表現(xiàn)出的光的波動性質(zhì)，以及光電效應(yīng)等光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象中表現(xiàn)出的光的粒子性，歷時三個多世紀的波動說和微粒說的爭論，最終被光的波粒二象性的觀點所代替，為微觀粒子波粒二象性的提出打下了堅實的基礎(chǔ)。愛因斯坦提出的光同時具有波動性和粒子性，并且由密立根、康普頓在實驗中給予證明。玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上，提出了解釋原子中電子行為的理論，建立了早期的量子論，但是卻只能解釋氫原子、類氫原子，具有很大的局限性。在前人的基礎(chǔ)上，德布羅意獨創(chuàng)性地由光的波粒二象性類比出物質(zhì)具有波動性的觀點，發(fā)展了物質(zhì)波理論，并且在實驗中得到了證明，真正建立起整個量子力學(xué)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光;本性;光量子說;物質(zhì);波粒二象性

一、光的本性爭論

1.牛頓為首的“粒子說”觀點

光的顏色問題早在公元前就有人在猜測，亞里士多德、笛卡兒都認為光是純潔的、均勻的，色光只是光的變種。牛頓從1663年開始熱衷于研究光學(xué)。在經(jīng)過大量實驗后，他提出了自己關(guān)于光是粒子的觀點。牛頓在《光學(xué)》中憑借實驗結(jié)果與分析，建立了光的理論，牛頓的粒子說解釋了色散現(xiàn)象以及光的反射、折射現(xiàn)象等，但無法解釋“牛頓環(huán)”。

2.惠更斯的波動說

胡克主張，光是一種振動，認為光是類似于水波的某種快速脈沖。惠更斯發(fā)展了胡克的思想，認為光是一種波（以太縱波），提出光是發(fā)光體中微小粒子的振動在以太中的傳播，引進了著名的惠更斯原理。

3.托馬斯·楊的研究

1801年托馬斯·楊發(fā)展了惠更斯的波動理論，他利用了同一光源發(fā)出的相干光的雙縫實驗成功地解釋了干涉現(xiàn)象。雙縫反射實驗為托馬斯·楊的波動學(xué)說提供了很好的證據(jù)，這對微粒說來說是個嚴重的挑戰(zhàn)，但是仍受到當(dāng)時的權(quán)威學(xué)者的攻擊，長時間內(nèi)沒有人理解托馬斯·楊的工作。1809年，法國的馬呂斯發(fā)現(xiàn)了偏振現(xiàn)象，并認為找到了決定性證據(jù)可以駁倒波動學(xué)說，此時的托馬斯·楊開始認識到要用光是橫波來代替縱波的概念，這正是后來菲涅耳等人繼續(xù)發(fā)展波動學(xué)說研究的出發(fā)點。

4.菲涅耳的研究

菲涅耳短暫的一生為波動光學(xué)作出了巨大的貢獻，他的研究成果頗豐。菲涅耳用實驗解釋了惠更斯理論無法解釋的光的直線傳播和影的形成問題。用菲涅耳公式，可以比較準(zhǔn)確地計算光在反射與折射時的能量分配問題，可以很好地解釋光的反射與折射起偏問題，解釋光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時的內(nèi)全反射現(xiàn)象，以及光由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時反射光的半波損失問題等等。

二、愛因斯坦的光量子說

20世紀之交，物理學(xué)面臨著革命性的時期，就在大家認為經(jīng)典物理的大廈即將建立完畢的時候，一些實驗卻無法用經(jīng)典理論給出解釋，光電效應(yīng)和黑體輻射就是當(dāng)時無法解釋的實驗。

1.光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

赫茲的實驗證明了麥克斯韋理論的正確性，即光的波動理論的正確性，但是也是赫茲在實驗中發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)最終又導(dǎo)致了微粒說的復(fù)活！

光電效應(yīng)的實驗表明：微弱的紫光能從金屬表面打出電子，而很強的紅光卻不能打出電子，就是說光電效應(yīng)的產(chǎn)生只取決于光的頻率而與光的強度無關(guān)。波動說認為光是一種波，它的能量是連續(xù)的，能量和光的振幅即強度有關(guān)，而和光的頻率無關(guān)，如果微弱的紫光能從金屬表面打出電子來，那很強的紅光就更能打出電子來，而實驗卻是相反的。

2.普朗克的能量子說

普朗克的能量子假說具有劃時代的意義，開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀元，為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。但是他本人及同時代的人都沒有認識到這一點，普朗克本人也一直想推翻自己這種違反經(jīng)典理論的假說。普朗克盡管有許多局限，但畢竟是在科學(xué)變革時代的一個新理論的開拓者，他放出了量子幽靈，而這個幽靈最終改變了人們對世界的看法。

3.愛因斯坦的光量子

愛因斯坦分析了從牛頓和惠更斯以來波動說和微粒說的長期爭論，指出麥克斯韋電磁波理論的局限性，審查了普郎克處理黑體輻射的思路，總結(jié)了光和物質(zhì)相互作用有關(guān)的各種現(xiàn)象，認為光在傳播過程中和與物質(zhì)相互作用的過程中能量是分散的，是一份一份的以能量子的形式出現(xiàn)的。他假設(shè)：光和原子、電子一樣具有粒子性，光就是以光速C運動著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。同普朗克的能量子一樣，每個光量子的能量也是E=hy。

三、玻爾等人發(fā)展的早期量子理論

如果1900年普朗克宣告了量子的誕生，那么1913年玻爾則宣告它進入了青年時代。1908年盧瑟福在指導(dǎo)他的助手做“α粒子大角散射”實驗的基礎(chǔ)上，提出了有核原子模型，雖然有著實驗的支持，但還是面臨著無法解釋原子穩(wěn)定性問題這樣與經(jīng)典理論矛盾的問題。玻爾堅信盧瑟福的理論，他意識到要解決這一問題，唯有用量子假說，特別是他看到氫光譜的巴爾末公式及斯特恩關(guān)于價電子躍遷產(chǎn)生輻射的理論后，他便“豁然開朗”了，他發(fā)表了著名的“三部曲”，主要思想即定態(tài)軌道模型，躍遷頻率條件，提出了定態(tài)軌道原子模型。

物質(zhì)波理論的提出，標(biāo)志著波和粒子概念綜合的又一次偉大的勝利。從光的波粒二象性到物質(zhì)的波粒二象性是物理學(xué)中最偉大、最優(yōu)美的類比。

參考文獻：

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