【精品】高中物理(人教大纲版)第三册第二十一章电子论初步二、光的波粒二象性(备课资料)

●备课资料
光的实质——颠簸说与微粒说的交手
18 世纪末，在德国自然哲学思潮的影响下，人们的思想渐渐解放. 英国有名物理学家托马斯·杨开始对牛顿的光学理论产生了思疑. 依据一些实验事实，杨氏于 1800 年写成了论文《对于光和声的实验和问题》. 在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为两者在重叠后
都有增强或减弱的现象。

他以为光是在以太流中流传的弹性振动，并指出光是以纵波形式传
播的 . 他同时指出光的不一样颜色和声的不一样频次是相像
的. 在经过百年的缄默以后，颠簸学说终于从头发出了它的呼喊；光学界烦闷的空气再度活跃起来. 同年，杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发布论文，分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解说. 初次提出了光的干预的看法和光的干预定律.1803年，杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》. 他依据光的干预定律对光的衍射现象作了进一步的解说，以为衍射是由直射光束与反射光束干预形
成的 . 固然这类解说不完整正确，但它在颠簸学说的发展史上有侧重要意义.1804年，这篇论文在《哲学会刊》上发布.1807年，杨氏把他的这些实验和理论综合编入了《自然哲学讲义》. 但因为他以为光是一种纵波，所以在理论上碰到了好多麻烦. 他的理论遇到了英国政治
家布鲁厄姆的尖刻的责备，被称作是“不合逻辑的”“荒唐的”“毫无价值的” . 固然杨氏的理论以及此后的反驳都没有获取足够的重视、甚至遭人诋毁，但他的理论激起了牛顿学派对
光学研究的兴趣.1808 年，拉普拉斯用微粒说剖析了光的双折射线现象，批判了杨氏的颠簸
说.1809 年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象 . 在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发
现光在折射时是部分偏振的 . 因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不行能发生这
样的偏振，这一发现成为了反对颠簸说的有力凭证.1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象
时发现了光的偏振现象的经验定律. 光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的颠簸说堕入了窘境，使物理光学的研究更朝向有益于微粒说的方向发展. 面对这类状况，杨氏对光学再
次进行了深入的研究， 1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种
横波的假说，比较成功的解说了光的偏振现象. 汲取了一些牛顿学派的见解以后，他又成立
了新的颠簸说理论 . 杨氏把他的新见解写信告诉了牛顿学派的阿拉戈.1817年，巴黎科学院悬赏征采对于光的干预的最正确论文. 土木匠程师菲涅耳也卷入了颠簸说与微粒说之间的纷争.在 1815 年菲涅耳就试图中兴惠更斯的颠簸说，但他与杨氏没有联系，当时还不知道杨氏关
于衍射的论文，他在自己的论文中提出是各样波的相互干预使合成波拥有明显的强度. 事实上他的理论与杨氏的理论正好相反. 此后阿拉戈告诉了他杨氏新提出的对于光是一种横波的
理论，此后菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究.1819 年，菲涅耳成功的达成了对由两
个平面镜所产生的相关光源进行的光的干预实验，继杨氏干预实验以后再次证了然光的颠簸说. 阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间后，转向了颠簸说.1819 年末，在菲涅耳对光的流传
方向进行定性实验以后，他与阿拉戈一道成立了光波的横向流传理论.1882年，德国天文学家夫琅和费初次用光栅研究了光的衍射现象. 在他以后，德国另一位物理学家施维尔德依据
新的光波学说，对光经过光栅后的衍射现象进行了成功的解说. 至此，新的颠簸学说坚固的
成立起来了 . 微粒说开始转向劣势 .
跟着光的颠簸学说的成立，人们开始为光波找寻载体，以太说又从头活跃起来. 一些著名的科学家成为了以太说的代表人物. 但人们在找寻以太的过程中碰到了很多困难，于是各
种假说纷繁提出，以太成为了 19世纪的众焦点之一 . 菲涅耳在研究以太时发现的问题是，横向波的介质应当是一种类固体，而以太假如是一种固体，它又怎么能不扰乱天体的自由运行呢. 不久此后泊松也发现了一个问题：假如以太是一种类固体，在光的横向振动中必定要有
纵向振动，这与新的光波学说相矛盾 . 为认识决各样问题， 1839 年柯西提出了第三种以太说，
以为以太是一种悲观的可压缩性的介质. 他试图以此解决泊松提出的困难.1845年，斯托克
斯以白腊、沥青和胶质进行类比，试图说明有些物质既硬得能够流传横向振动又能够压缩和
专心爱心专心
延展——所以不会影响天体运动.1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷以“以太漂流”实验否认了以太的存在 . 但今后仍不乏科学家坚持对以太的研究. 甚至在法拉第的光的电磁说、麦克斯韦的光的电磁说提出此后，还有很多科学家专注致力于对以太的研究.19世纪中后期，在光的颠簸说与微粒说的论战中，颠簸说已经获得了决定性成功. 但人们在为光波找寻载体时所碰到的困难，却预示了颠簸说所面对的危机.1887 年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！ 20 世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说.1921年，爱因斯坦因为“光的波粒二象性”这一成就而获取了诺贝尔物理学奖.1921年，康普顿在试验中证了然X 射线的粒子性 .1927年，杰默尔和此后的乔治·汤姆森在试验中证了然电
子束拥有波的性质. 同时人们也证了然氦原子射线、氢原子和氢分子射线拥有波的性质. 在新的事实与理论眼前，光的颠簸说与微粒说之争以“光拥有波粒二象性”而落下了帷幕.
光的颠簸说与微粒说之争从17 世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至 20 世纪初以光的波粒二象性告终 . 前后经历了三百多年的时间. 牛顿、惠更斯、托马斯、杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战两方的主辩手. 正是他们的努力揭开了掩盖在“光的实质”外面那
层虚无缥缈的面纱 .
经过三个世纪的研究，我们得出了光拥有波粒二象性的结论，但是跟着科学的不停向前发展，在光的天性问题上能否还会有新的看法、新的论据出现呢？波粒二象性真的是最后结果吗？
群星绚丽的科学史上，不停有新星划破长空，不停有陈星殒坠灰尘，究竟哪一颗是恒星、哪
一颗是流星呢？
专心爱心专心。