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微粒說與波動說之爭,牛頓認為光是一種微粒。光學是一門最古老的物理學分支之一.光的本性問題一直是人們十分關心和熱衷探討的問題.17世紀以來,隨著科學技術的發展,這種爭論達到了空前激烈的地步,也就是物理學史上著名的微粒說與波動說之爭.

1微粒說的產生和發展

1638年,法國數學家皮埃爾·伽森荻(Pierre Gassendi)提出物體是由大量堅硬粒子組成的。並在1660年出版的他所著的書中涉及到了他對於光的觀點。他認為光也是有大量堅硬粒子組成的。 牛頓隨後對於伽森荻的這種觀點進行研究,他根據光的直線傳播規律、光的色散現象,最終於1675年提出假設,認為光是從光源發出的一種物質微粒,在均勻媒質中以一定的速度傳播。 微粒說很容易解釋光的直進性,也很容易解釋光的反射,因為粒子與光滑平面發生碰撞的反射定律與光的反射定律相同。然而微粒說在解釋一束光射到兩種介質分界面處會同時發生反射和折射,以及幾束光交叉相遇后彼此毫不妨礙的繼續向前傳播等現象時,卻發生了很大困難。
英姿煥發的波動說
進入19世紀以後,曾被微粒說壓得奄奄一息的波動說重新活躍起來.一個個嶄新的實驗事實,使波動說雄姿英發,應付自如,進入了一個「英雄時期」.
第一位向微粒說發起衝擊的是牛頓的同胞托馬斯·楊.1801年,年輕的托馬斯·楊一針見血地說:「儘管我仰慕牛頓的大名,但我並不因此非得認為他是百無一失的.我遺憾地看到,他也會弄錯,而他的權威也許有時阻礙了科學的進步.」托馬斯·楊為了證明光是一種波,他在暗室中做了一個舉世聞名的光的干涉實驗.我們知道,干涉現象是波動的一個特性,托馬斯·楊的成功,證明了光確實是一種波,它只有用波動說才能解釋,微粒說對此一籌莫展.
給微粒說以沉重打擊的第二個實驗是光的衍射實驗.衍射現象也是波的基本特性之一,這是一種波在傳播過程中可以繞過障礙物,或穿過小孔、狹縫而不沿直線傳播的現象.法國物理學家菲涅爾設計了一個實驗,成功地演示了明暗相間的衍射圖樣,在微粒說看來,光的衍射現象則是不可理解的.
給微粒說以致命打擊的是對光速值的精確測定.牛頓和惠更斯在解釋光的折射現象時,對於水中光速的假設是截然相反的,誰是誰非,難以證實.到了19世紀中葉,法國物理學家菲索和付科,分別採用高速旋轉的齒輪和鏡子,先後精確地測出光在水中的傳播速度只有空氣中速度的四分之三.又一次證明了波動說的正確性.
經過反覆較量,波動說終於壓過了微粒說,取得了穩固的地位.到19世紀60年代,麥克斯韋總結了電磁現象的基本規律,建立了光的電磁理論.到80年代,赫茲通過實驗證實了電磁波的存在,並證明電磁波確實同光一樣,能夠產生反射、折射、干涉、衍射和偏振等現象.利用光的電磁說,對於以前發現的各種光學現象,都可以做出圓滿的解釋.這一切使波動說錦上添花,使它在同微粒說的論戰中,取得了無可爭辯的勝利.
重整旗鼓的微粒說
光電效應的發現,使微粒說再次「復辟登基」.所謂光電效應,就是指金屬在光的照射下,從金屬表面釋放出電子的現象,所釋放的電子叫做光電子.大量的實驗證明,光電效應的發生,只跟入射光的頻率有關,只要入射光的頻率足夠高,不管它強度多弱,一旦照射到金屬上,立刻就有光電子飛出.而從波動說的觀點看,光電效應是絕對無法理解的.因此,波動說完全陷入了困境.至此,光的微粒說又昂首挺胸.活躍在科學的舞台上.

2微粒說和波動說的完美結合

微粒說和波動說的完美結合愛因斯坦運用光量子說——全新意義上的微粒說,把光電效應解釋得一清二楚.但是,愛因斯坦並沒有拋棄波動說,而是把二者巧妙地結合在一起,並辨證地指出:「光——同時又是波,又是粒子,是連續的,又是不連續的.自然界喜歡矛盾……」,這一思想充分體現在他的光量子理論的兩個基本方程E=hν和p=(h/λ)中,把粒子和波緊密地聯繫在一起.

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