人类对光本性的认识1

人类对光本性的认识

光给我们带来了五彩世界的美丽，“光的本性是什么？”一直以来人们对此曾有过各种猜测和争论。从人们最初认为的光是一种“很小的微粒”，到光是一种电磁波，最后到人们对光的认识既具有粒子性又具有波动性，经历了几个世纪的争论。将重温历史上那些物理学家的经典实验，结合理论公式推导，带你走进“光的世界”！

1、前言：光到底是什么？

17世纪，牛顿认为光是一股微粒流，沿直线传播，由此形成了几何光学，他以光的折射、反射定律为基础，研究光的直线传播和成像的规律。由于当时的实验条件和牛顿的威信，人们普遍接承认“光的微粒学说”。可是到了19世纪初人们观测到了许多光的干涉、衍射、和偏振现象，这些事实不禁让人们对光产生了新的认识……

2、第一部分：光的波动性

1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地实现了光的干涉实验，首次有力地证明了光是一种波动。下面介绍一下这个有名的杨氏双缝干涉实验。

实验装置如图所示：

为什么我们会观察到屏上的干涉条纹？下面我对屏上的条纹位置作定量分析：

S为线光源，其后是一个遮光屏，其上有两条与S平行的狭缝S1、S2，且与S等距离，因此S1、S2是相干光源，且相位相同；S1、S2之间的距离是d ，到屏的距离是D。P为屏上任意一点，P到S1、S2的距离分别为r1、r2，在屏上取坐标轴O x，向上为正，坐标原点位于关于双缝的对称中心。P到屏中心O点的距离为x，在D>>d、x，则从S1和S2发出的相干光到达P点的光程差为

由图可见

两式相减，得

由于D>>d、x，所以r2+r12D,由此得

故当光程差为半波长的偶数倍时，相位差就是π的偶数倍，两束光相干加强，P点为明纹；而当光程差为半波长的奇数倍时，相位差就为π的奇数倍，两束光相干减弱，P点为暗纹。

此外，光的衍射和偏振现象都对“光的波动学说”提供了重要的实验证据。到了19世纪60年代，麦克斯韦建立的电磁场理论又赋予光以电磁波的本质。在这样的背景下，人们更加倾向于将光看做是一种电磁波。难道光真的只是电磁波么？探索其实并没有停止……

3、第二部分：光的粒子性

随着光学向微观领域里的渗透，人们逐渐发现用经典的波动理论无法解释光与物质的相互作用。从19世纪末到20世纪初，随着对光电效应和康普顿效应等实验规律的研究，人们又发现了光的一些新性质。

光电效应最早是由德国物理学家赫兹在做实验时发现的。1887年，他发现，当紫外线照射在金属上时，能使金属发射带电粒子。

光电效应的实验简图如图所示：

这个实验最终得到了如下4个重要的实验规律：

（1）饱和光电流。饱和光电流I M与入射光强I成正比, 即单位时间内从K极逸出的光电子数目N与入射光强I 成正比。（2）截止电压。U C:光电流为0时, 反向电势差的绝对值叫截止电压。由能量关系可得出，截止电压UC与光电子的最大初动能之间有如下关系

式中m和e分别是电子的质量和电量，V M是光电子逸出金属表面的最大速度。并从上式看出光电子最大初动能等于电子的电量和截止电势差的乘积,与入射光强无关。

（3）截止频率。实验发现，当入射光的频率ν增大时，截止电压U C将随之线性增大，即

其中，k是与阴极金属材料性质无关的普适常量，而U0是与金属材料有关的量。结合（2）中的公式可得

即光电子最大初动能与入射光频率成线性关系; 当入射光频率ν >ν0时, 才会产生光电效应。

（4）弛豫时间。实验发现光电效应具有瞬时性，弛豫时间不超过10-9s 。

然而这个实验却给人们带来了巨大的困惑，因为光的经典波动理论无法解释光电效应的实验结果。按照经典波动理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。光电效应的瞬时性在经典波动理论上也被看做是不可能的。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。

直到1905年，为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光量子的概念。他认为：频率为ν 的光是由大量能量为 ε =h ν 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。光不仅在发射和吸收时以能量为h ν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。由此得到的光电效应方程

A h m -=νυ22

1 便合理的解释了光电效应的全部试验规律。光的量子化是人们认识到光的粒子性的以重大进步。而康普顿效应则又为光具有粒子性提供了重要实验依据。

1923年，美国物理学家康普顿在观察X 射线被石墨等物质

散射时，发现有波长改变的散射现象。

实验装置如下图所示：

实验结果表明：波长的偏移只与散射角ϕ 有关，与散射物质的性质无关，他们的关系是

0λλλ-∆= )cos 1(ϕλ-=c

这按照经典波动理论，波长改变的现象时无法解释的。而根据光子理论，康普顿将这种散射看成是X 射线光子与静止的自由电子之间的弹性碰撞，并假设在碰撞过程中能量和动量守恒，有如下推导：

设碰前入射光子的频率为0ν，其能量为0νh ，动量为00ˆn c

h ν；静止的自由电子能量为20c m ，动量为0。碰撞后反冲电子的能量为2mc 其动量为v v 220

/1c m -；散射光子的能量为νh ，其动量为n c

h ˆν。有能量和动量守恒定律可列出方程：

2200mc h c m h +=+νν

v m n c

h n c h +=ˆˆ00νν 其中第二个式子为矢量式，可写成两个分量式

ϕθννvcos m c

h c h +=cos 0 ϕθνsin mv c

h =sin 消去变量 解得波长偏移量与散射角 的关系为

2

sin 2)cos 1(Δ2c 00θλθλλλ=--==c m h 由此，可以看到康普顿散射的理论推导和实验结果完全一致，有力的证明了爱因斯坦光量子理论的正确性，同时也验证了在微观粒子的相互作用过程中，能量和动量守恒定律是严格成立的。人们也普遍接受了光的粒子性。

4、第三部分：光的波粒二象性

通过光的干涉等实验，人们认识到光具有波动性；而通过光电效应和康普顿效应等，人们有认识到广海具有粒子性。由此得到了关于光的本性的全面认识因该是：光具有波粒二象性。 根据光子理论，一个光子的能量为

由质能方程进一步求的光子的质量为