6.1.5光的波粒二象性

光的波粒二象性
牛顿
光是一种粒子!
一、光的本质认识历史:
赫兹
麦克斯韦
你的说法是对的
光是电磁波
惠更斯
光是一种波!
二、光的“波粒二象性”
光的干涉、衍射、偏振等实验证实光具有波动性光电效应、康普顿效应等实验证实光具有粒子性光子动量
2h m c
光子质量
通过h 把波动性与粒子性联系起来！
h
p v
,,2
m c
光子能量
h
（1）
h h p mc c
（2）
2422240m c p c m c
0m 0
三、光的“波粒二象性”的理解
1、经典物理中的波和粒子
经典粒子完全定域性，其质量、动量和电荷可精确确定。

可视为一个质点，并可根据牛顿力学进行完全描述。

经典的波是某种实在的物理量随空间和时间作周期性变化，满足叠加原理，可产生干涉、衍射等现象。

具有确定的频率、波长，在空间无限扩展。

确定的空间位置粒子为一质点
确定波的频率、波长在空间无限扩展
•光的双缝干涉实验
光强分布
122
I I I
1
x
D
S
S1
S2
r1
r2
d O
(a)(b)(c)(d)
I1和I2分别对应狭缝S1 和狭缝S2 单独打开时屏幕上光的强度分布
用经典粒子理论解释：
干涉条纹是通过狭缝S 1的光子和通过狭缝S 2的光子之间相互作用的结果。

预言：当光源强度弱到屏上每次至多一个光子到达时，
由于光子间的相互作用消失，干涉条纹也应该消失。

用光的电磁场理论解释：预言：如果减弱光源的强度，干涉条纹将继续存在，只不过在
强度上有所减弱而已。

kx 110)
(,),i t E x t E e
（ kx 220)
(,),
i t E x t E e
（2
12121212
21
*
*
()()()()()()()()()
I x E x E x I x I x E x E x E x E x 干涉项
2
2
0===I E E
E E
*
12()()()
E x E x E x
单光子实验：
（1）将照相底片覆盖在屏上，并充分延长曝光时间。

（2）照相底片曝光时间充分短，以致底片只能接收到若干个光子。

结果：干涉条纹并没有消失，图样与强光源
双缝干涉图样完全相同。

结果：底片出现随机的感光点，而不是产生
强度极弱的干涉图样。

单个光子就具有波动性。

干涉是光子“自己和自己”的干涉。

光子不是经典意义下的粒子。

光子波不是经典意义下的波。

单光子干涉
底片上某点附近干涉图样的强度该点附近感光点数目该点附近聚集的光子数
光子出现在该点附近的概率dN/N
与光子相联系的波是某种描述光子空间分布的概率波
波动性:2
I E
爱因斯坦在1917年引入统计性概念粒子性:I Nh N
2
N E
统计性:N P E
2
概率密度空间某处光的强度正比于光子出现在该处的的概率密度dN/(NdV)。

光子的波动性是量子力学描述的概率波的波动，
而不是经典电磁理论描述的电磁波的波动。

“光的波粒二象性”中的粒子既不是经典的粒子，“光的波粒二象性”中的波也不是经典的波。

光具有波粒二象性，经典电磁理论描述的电磁波的波动在宏观世界中习以为常，那么为什么要强调量子力学中的波与经典的波是截然不同的？
1、光的波粒二象性的两个基本关系式：
h
p
h
2、光子波的统计解释:
与光子相联系的波是某种描述光子空间分布的概率波。

在某处发现光子的概率正比于该处的电场强度模的平方。

小结。