对波粒二象性的理解

韩立飞

对于高中生来讲，理解光的本性——波粒二象性，有一定的困难，觉得很难理解，很难接受。因为此时，经典物理学在学生头脑中已经根深蒂固，就好像我们经历了几千年的封建社会一样，想改变一些传统观念上的东西，谈何容易。而且从经典物理学中的观点来看，“微粒”和“波”是相互排斥的、对立的。一种东西要么是波，要么是粒子，两者怎么能同时存在呢？

我认为，要展示波粒二象性是物质存在的基本特征就要先从光的波粒二象性开始。在这里不妨先给学生理一下物理学史。

1.牛顿的微粒学说：认为光是高速粒子流，它能解释光的直进、影的形成、反射，但在解释折射时遇到很大困难。

2.荷兰物理学家惠更斯的波动说：在1678年写成的《光论》一书中，从光与声的某些相似性出发，认为光是在“以太”介质中传播的球面纵波，它能解释光的干涉和衍射，并成功地推导出了光的反射和折射定律，但在解释光的直进和影子的形成原因时也遇到困难。

3.麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波，依据是赫兹用实验证明了光与电磁波在真空中的传播速度相等且都为横波。

4.爱因斯坦的光子说：19世纪初，人们发现了光的干涉、衍射，从而波动说得到很大发展。19世纪末，又发现了波动说不能解释的新现象——光电效应。为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光子，很好地解释了光电效应。之后康普顿又发现了康普顿效应现象，也只有用光子说才能解释。

5.德布罗意的波粒二象性：认为光既具有粒子性，又具有波动性，个别光子表现为粒子性，大量光子表现为波动性，频率大的光子粒子性明显，频率小的波动性明显。

再进一步展示双缝干涉实验课件：少量光子出现的现象，以及少量光子长时间曝光时的图片，从而引导学生认识光确实具有粒子性和波动性。即：光可以发生干涉、衍射现象，说明光具有波动性；光又可以产生光电效应，说明光又具有粒子性，即光既是“波”，又是“粒子”，这就是光的波粒二象性。

光虽有粒子性，但光子不是我们想象中的宏观观念上的粒子，粒子是宏观世界中的概念，它遵守经典力学原理，它的静止质量不随速度而改变，而光子是一份一份不连续的能量流，它不遵循经典理论，它的静止质量为零，运动质量为m=hγ/C2，所以光子与宏观的微粒是不能完全等同的两个量。我们只能说光具有粒子性，不能说光就是粒子。大量光子在空间各点出现的可能性大小可以用波动规律来描述，但它不是我们想象中宏观观念中的波，因此我们只能说光具有波动性。

再扩展波粒二象性到微观粒子。告诉学生，实际上不只光这种物质具有波粒二象性，波粒二象性是微观世界中物质的普遍现象。如电子作为一种微观粒子具有粒子性自然很好理解，但由λ=h/P可算出它的德布罗意波长大约为7×10-11米，同时电子的衍射实验也表明它具有波动性，说明电子具有波粒二象性。也验证了微观粒子具有波粒二象性。

最后再将波粒二象性扩展到所有物质，引出物质波。

物质波：任何一个运动的物体，小到电子，质子，大到行星，太阳都有一种波与之对应，其波长λ=h/P，人们把这种波叫物质波，也称“德布罗意波”或“实物波”，这种波，既不是机械波，又不是电磁波。

然后做出总结：微观粒子具有波动性，但不能把这种波动性理解为机械波和电磁波，因为机械波是由于机械振动而引起的，电磁波是由于电场和磁场的交替变化引起的，微观粒子的波动性而是服从统计规律的概率波（如教材中电子束通过铝箔时的衍射图样），电子落到亮圆上的概率大，落在暗圆上的概率小，它保留了波的共同特征，具有波长、频率、服从波的叠加原理，在一定条件下能够发生干涉、衍射、偏振现象。

微观粒子具有粒子性，但不能把这种粒子性理解为经典的牛顿粒子，它保留了经典概念中的颗粒性，具有电荷，质量等属性，服从能量，动量守恒定律，它在运动中抛弃了轨道的概念，状态是量子化的。

微观粒子既是波又是粒子，这是与传统观念格格不入的，在宏观现象中，像弹丸、钢珠这样的粒子，怎会是波呢？打个比喻，通常我们说，十五的月亮像盘子，月初的月亮像钩子，当然，月亮既不是盘子，又不是钩子，而是由于它所处的位置和条件不同，我们看它时，有时显现出盘子的形象，有时显现出钩子的形象。

微观粒子既不是生活中的弹丸似的粒子，又不是生活中波浪似的波，而是说微观粒子在某些情况下表现出波的性质，如电子通过晶体时产生的干涉、衍射等现象的时候，在另一些情况下，表现出粒子性，如电子通过威尔逊云室的时候。

这使我们不禁想起“盲人摸象”的故事，有的人摸到象的躯干，说象好像一堵墙；另一些人摸到了象的腿后，便说象好像是柱子。因为他们在以往的生活实践中形成墙和柱子的概念，象在他们的生活中是全新的东西，还没有恰当的概念去反映它，只能用以往的形成概念去反映，因而对全新的概念难以理解。

微观粒子肉眼看不见，人们要认识它，只能用仪器去摸，在一定条件下，摸出来像波浪，在另一种条件下摸出来像弹丸，微观粒子是全新的东西，波浪和弹丸是旧有的概念，用旧概念去反映全新的东西总感觉到别扭，那是不足为奇的。

实际上波动性与粒子性一点也不矛盾。粒子和波不是两种截然不同的物质，粒子性是物质的本质，波动性是统计规律，任何物质都是如此。有的物质（如宏观物体）看不出波动性是因为其波动性十分微弱，比如我们自身，我们也具有波粒二象性，由λ=h/P知，我们的波长太小，所以我们的粒子性表现更强烈，而波动性表现十分微弱，所以体现的是粒子性。

通过以上教学，学生就能够慢慢接受物质的波粒二象性。