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光的波粒二象性

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科學家發現光既能像波浪一樣向前傳播,有時又表現出粒子的特徵。因此我們稱光有「波粒二象性」

1光的波粒二象性簡介

光一直被認為是最小的物質,雖然它是個最特殊的物質,但可以說探索光的本性也就等於探索物質的本性。歷史上,整個物理學正是圍繞著物質究竟是波還是粒子而展開的。
光學的任務是研究光的本性,光的輻射、傳播和接收的規律;光和其他物質的相互作用(如物質對光的吸收、散射、光的機械作用和光的熱、電、化學、生理效應等)以及光學在科學技術等方面的應用。先熟悉一下有關光的基本知識。
光的波粒二象性簡單說就是光既具有波動特性,又具有粒子特性

2光的波動說與微粒說之爭

格里馬第發現了光的衍射現象
十七世紀中期,物理光學有了進一步的發展。1655年,義大利波侖亞大學的數學教授格里馬第在觀測放在光束中的小棍子的影子時,首先發現了光的衍射現象。據此他推想光可能是與水波類似的一種流體。
格里馬第設計了一個實驗:讓一束光穿過一個小孔,讓這束光穿過小孔后照到暗室里的一個屏幕上。他發現光線通過小孔后的光影明顯變寬了。格里馬第進行了進一步的實驗,他讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕上,這時得到了有明暗條紋的圖像。他認為這種現象與水波十分相像,從而得出結論:光是一種能夠作波浪式運動的流體,光的不同顏色是波動頻率不同的結果。格里馬第第一個提出了「光的衍射」這一概念,是光的波動學說最早的倡導者。波義耳提出了物體的顏色光照射在物體上產生的效果  1663年,英國科學家波義耳提出了物體的顏色不是物體本身的性質,而是光照射在物體上產生的效果。他第一次記載了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋。這一發現與格里馬第的說法有不謀而合之處,為後來的研究奠定了基礎。
牛頓用微粒說闡述了光的顏色理論
然而1672年,偉大的牛頓在他的論文《關於光和色的新理論》中談到了他所作的光的色散實驗:讓太陽光通過一個小孔后照在暗室里的稜鏡上,在對面的牆壁上會得到一個彩色光譜。他認為,光的複合和分解就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開一樣。在這篇論文里他用微粒說闡述了光的顏色理論。第一次波動說與粒子說的爭論由「光的顏色」這根導火索引燃了。從此胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論。
1672年2月6日,以胡克為主席,由胡克和波義耳等組成的英國皇家學會評議委員會對牛頓提交的論文《關於光和色的新理論》基本上持以否定的態度。牛頓開始並沒有完全否定波動說,也不是微粒說偏執的支持者。但在爭論展開以後,牛頓在很多論文中對胡克的波動說進行了反駁。由於此時的牛頓和胡克都沒有形成完整的理論,因此波動說和微粒說之間的論戰並沒有全面展開。但科學上的爭論就是這樣,一旦產生便要尋個水落石出。
牛頓的微粒學說逐步的建立起來
就在惠更斯積極的宣傳波動學說的同時,牛頓的微粒學說也逐步的建立起來了。牛頓修改和完善了他的光學著作《光學》。基於各類實驗,在《光學》一書中,牛頓一方面提出了兩點反駁惠更斯的理由:第一,光如果是一種波,它應該同聲波一樣可以繞過障礙物、不會產生影子;第二,冰洲石的雙折射現象說明光在不同的邊上有不同的性質,波動說無法解釋其原因。另一方面,牛頓把他的物質微粒觀推廣到了整個自然界,並與他的質點力學體系融為一體,為微粒說找到了堅強的後盾。
為不與胡克再次發生爭執,胡克去世后的第二年(1704年)《光學》才正式公開發行。但此時的惠更斯與胡克已相繼去世,波動說一方無人應戰。而牛頓由於其對科學界所做出的巨大的貢獻,成為了當時無人能及一代科學巨匠。隨著牛頓聲望的提高,人們對他的理論頂禮膜拜,重複他的實驗,並堅信與他相同的結論。整個十八世紀,幾乎無人向微粒說挑戰,也很少再有人對光的本性作進一步的研究。托馬斯.楊提出了光的干涉的概念和光的干涉定律  十八世紀末,在德國自然哲學思潮的影響下,人們的思想逐漸解放。英國著名物理學家托馬斯·楊開始對牛頓的光學理論產生了懷疑。根據一些實驗事實,楊氏於1800年寫成了論文《關於光和聲的實驗和問題》。在這篇論文中,楊氏把光和聲進行類比,因為二者在重疊后都有加強或減弱的現象,他認為光是在以太流中傳播的彈性振動,並指出光是以縱波形式傳播的。他同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的。1801年,楊氏進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗。實驗所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現象,從而證明了光是一種波。同年,楊氏在英國皇家學會的《哲學會刊》上發表論文,分別對「牛頓環」實驗和自己的實驗進行解釋,首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。
1803年,楊氏寫成了論文《物理光學的實驗和計算》。他根據光的干涉定律對光的衍射現象作了進一步的解釋,認為衍射是由直射光束與反射光束干涉形成的。但由於他認為光是一種縱波,所以在理論上遇到了很多麻煩。他的理論受到了英國政治家布魯厄姆的尖刻的批評,被稱作是「不合邏輯的」、「荒謬的」、「毫無價值的」。
雖然楊氏的理論以及後來的辯駁都沒有得到足夠的重視、甚至遭人毀謗,但他的理論激起了牛頓學派對光學研究的興趣。
菲涅耳與阿拉戈建立了光波的橫向傳播理論
1817年,巴黎科學院懸賞徵求關於光的干涉的最佳論文。土木工程師菲涅耳也捲入了波動說與微粒說之間的紛爭。在1815年菲涅耳就試圖復興惠更斯的波動說,但他與楊氏沒有聯繫,當時還不知道楊氏關於衍射的論文,他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強度。事實上他的理論與楊氏的理論正好相反。後來阿拉戈告訴了他楊氏新提出的關於光是一種橫波的理論,從此菲涅耳以楊氏理論為基礎開始了他的研究。1819年,菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產生的相干光源進行的光的干涉實驗,繼楊氏干涉實驗之後再次證明了光的波動說。阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時間之後,轉向了波動說。1819年底,在非涅耳對光的傳播方向進行定性實驗之後,他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。
愛因斯坦因光的波粒二象性獲諾貝爾物理學獎
1887年,德國科學家赫茲發現光電效應,光的粒子性再一次被證明!
二十世紀初,普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學說。
1905年3月,愛因斯坦在德國《物理年報》上發表了題為《關於光的產生和轉化的一個推測性觀點》的論文他認為對於時間的平均值,光表現為波動;對於時間的瞬間值,光表現為粒子性。這是歷史上第一次揭示微觀客體波動性和粒子性的統一,即波粒二象性。這一科學理論最終得到了學術界的廣泛接受。
1921年,愛因斯坦因為"光的波粒二象性"這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎。
1921年,康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性。1927年,傑默爾和後來的喬治·湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質。同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質。

以光的波粒二象性告終

在新的事實與理論面前,光的波動說與微粒說之爭以「光具有波粒二象性」而落下了帷幕。
即:光既是一種波也是一種粒子!
光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初笛卡兒提出的兩點假說開始,至二十世紀初以光的波粒二象性告終,前後共經歷了三百多年的時間。牛頓、惠更斯、托馬斯.楊、菲涅耳等多位著名的科學家成為這一論戰雙方的主辯手。正是他們的努力揭開了遮蓋在「光的本質」外面那層撲朔迷離的面紗。
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