光的本质探究

光的本质探究

作者：尹隆丞

来源：《课程教育研究》2019年第27期

【摘要】本文从牛顿时代对光的本质的解释出发，首先介绍了牛顿的微粒说、惠更斯的波动说和麦克斯韦电磁说，并指出这些学说中与实验现象不符的地方。最后介绍了光的波粒二象性和光的量子说，尽管量子力学中对测量的本质还有争议，但由于光量子说可以很好地解释已知的所有光学现象，因此被物理学者广泛接受。

【关键词】微粒说 ;波动说 ;电磁说 ;波粒二象性

【中图分类号】G633.7 ;【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）27-0172-01

日光、灯光使得我们可以看见色彩斑斓的世界，高频X光帮助我们诊断病情，低频无线电波使得我们可以随时随地使用手机连接互联网，无处不在的路由器发射的Wi-Fi信号也是低频光波。从17世纪开始人们就开始了对光的研究，有关光最早的系统理论是牛顿的微粒说，由于牛顿微粒说存在的缺点，惠更斯提出了光的波动说;后来又有麦克斯韦的电磁说和爱因斯坦的光的粒子说。最新的理论认为光既是粒子也是波，也就是光有波粒二象性，但光何时表现粒子性、何时表现波动性却仍是困扰当今科学界的一个问题。

一、牛顿微粒说和惠更斯的波动说

光充满着整个世界，从南北极绚丽的极光到日常生活中随处可见的白炽灯，到处都能看到光存在的痕迹。而有关光的学说早在几个世纪前就已经开始发展并延续至今，其中两个最经典的早期学说分别是牛顿的微粒说和惠更斯的波动说，这也是人类对光的本质的探索迈出的第一步。

牛顿时代之前的人们已经注意到了光的反射和折射以及光的颜色等现象，但那时人们把物体表面的颜色差别解释为物体可以转变白光。但牛顿从三棱镜的分光实验中敏锐的察觉到日光本身就是由不同颜色的光组成的。牛顿观察到光透过三棱镜在屏上显现出其中不同的颜色，然后在红色光的后面又放了一个三棱镜，发现红色光还是红色光。这就证明了三棱镜并不能改变光的颜色。由此出发，牛顿提出了光的微粒说[1]，认为光是一种物质，不同颜色的光就是不同的微粒，将它们混合到一起，就变成了其他的颜色。

微粒说还可以解释光的反射、折射等。牛顿认为光微粒在介质中会受到介质施加的力，在同种介质中各个方向受力均匀因而相互抵消，因此沿直线运动;光微粒在两种介质交界处发生碰撞，其运动规律与小球和刚性界面发生弹性碰撞相同，因此光在反射时入射角等于反射角;

牛顿又把介质分为光疏介质和光密介质，光微粒在光疏介质中受力大于光密介质，进而解释了光的折射定律，且按照牛顿的微粒说，光在光密介质中的运动速率大于光疏介质。

尽管牛顿微粒说可以解释很多现象，但其也有非常致命的错误，如其不能解释光为何可以同时发生反射和折射，也不能解释为何两束光交叉却不能发生碰撞。因为微粒说存在的这些先天性缺陷，惠更斯提出光是一种波的概念，也就是光波动说。其核心思想是次光源的概念，也就是光在传播中的波前上的每一点都是下一刻次级球面波的子波源，所有子波源的包络面形成新的波前。惠更斯的波动说也可解释光的直进性和光的反射、折射等现象，但给出的结论是光在光密介质中运动速度大于在光疏介质中的运动速度，这一观点与牛顿完全相反。惠更斯的波动说也有其不足之处，如它不能解释光为何不能向后传播，其次波动说依赖于传播介质，但没有证据表明空间中存在供光传播的介质。

二、麦克斯韦电磁说

杨氏双缝实验发现了光的干涉条纹，这使得光的波动说的地位更加稳固。但既然光是一种波，人们却对这种波动的本质一无所知。麦克斯韦证明了光是一种电磁波。

三、光的波粒二象性

光的电磁说可以很好地解释当时已知的所有光学现象，但随着实验物理的进展，光的电磁说在解释黑体辐射光谱和光电效应时却遇到了极大困難。黑体是一个对全波段电磁波吸收率为1的理想物体，其发射光谱仅与黑体温度有关，然而电磁理论却不能解释实验测得的黑体辐射光谱。普朗克提出了光在黑体中吸收和辐射时以量子化的形式存在，也就是光是一个一个的粒子，每个光子的能量为？捩？棕，其中？捩是约化普朗克常量，？棕是光的角频率。普朗克通过光的量子化成功地得到了符合实验现象的黑体辐射公式。光电效应指的是当光照射到金属表面时会激发出金属中的电子从而形成光电流的现象，于1887年由赫兹发现。赫兹发现，某种金属如果要产生光电效应，其入射光的频率必须大于某个频率。这个现象与光的电磁波理论相违背，因为光的电磁理论表明电磁波的能量正比于振幅，只要振幅足够大，光的能量总可以激发金属中的电子产生光电效应。对此，爱因斯坦进一步提出，光在传播过程中也是量子化的，从而解释了光电效应[2]。

光的波动性和粒子性貌似是矛盾的[3]，这一点可以被光的量子性解决。量子力学中，光被表示为概率波？鬃（x，t），概率波的模平方？鬃（x，t）2是光子在t时刻出现在x点的概率，如果存在某种可能的测量，则光表现出粒子性，以概率？鬃（x，t）2出现在x点。光在传播时以概率波的形式，而在观测时表现出粒子特性。光的干涉是单个光子在不同路径上的概率波的干涉，此时光表现出波动性;光电效应可以视为对光子的一种测量行为，因此光的量子说可以同时解释光的波动性和粒子性。光的延迟选择实验表明光并非在实验之前就已经决定了要表现出波动性还是粒子性，而是以概率波的形式弥漫在整个空间，也就是表现为量子特性。

结束语

从牛顿微粒说与惠更斯波动说到光的量子性，这个探索的过程有着难以想象的困难，正是先贤们刻苦务实的钻研精神与勇于质疑的创新精神才填平了这道鸿沟。通过对光的本质探究的基本学习，我深刻地体会到了其中的不易，也希望有机会在物理领域上做出自己的贡献，延续先贤的精神与智慧。

参考文献：

[1]朱建廉.“微粒说”对光的折射现象的解释[J].物理通报，2008（10）：62-63.

[2]杨际青.爱因斯坦光电方程与光电效应实验外推法[J].大学物理，2003（3）：27-29.

[3]黄志洵.波粒二象性理论的若干问题[J].中国工程科学，2002（1）：54-63.