诠释“使光子一个一个地通过狭缝”

许国梁,刘祖萍,许友文

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

诠释“使光子一个一个地通过狭缝”

许国梁,刘祖萍,许友文

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

论述了光的波粒二象性，并应用光的波粒二象性，诠释了“使光子一个一个地通过狭缝”这一物理模型．作为微观客体的光子具有波粒二象性，这是光的本性的反映，是对光的认识的深化．

光子；波粒二象性；狭缝；统计规律

1 光的波粒二象性

光在传播过程中显示出波动性.光的波动说圆满地解释了光的干涉、衍射和偏振现象.麦克斯韦电磁理论建立之后，波动说取得了完全的胜利.与此同时，光与物质的相互作用时显示出粒子性，光量子或光子的假设成功地解释了黑体辐射、光电效应和康普顿效应.这说明电磁波（或光）是由光子组成的，它传播的是光子流，光子能量和动量分别为

将光子视为微观粒子，说明光具有粒子性；另一方面，从光的干涉、衍射和偏振现象中，说明光又具有波动性．这样，光就具有粒子和波动的双重性质，称之为光的波粒二象性．

光的粒子性所说的粒子并不是经典力学中的质点，这种质点的运动服从牛顿力学的规律；而光子的粒子性是指它是由光子组成的，光子的能量和动量分别由（1）、（2）式决定．这两式说明光与物质相互作用时交换的能量是一份一份的，即量子化的．一份就是一个光子，或者只能是这一份的整数倍，不能取其间的任意值．即光子或者全被吸收或者全没被吸收．这就是光子粒子性的实质．光子的粒子性并不是微粒说的复合，二者有本质的区别．光子的粒子性除“粒子”一词与经典物理学中的“质点”有相似之处（即皆指可不计物体的大小和形状而视为一个点）外，其余性质都有原则性的区别．例如，光子与经典质点一样，都具有能量，但它的能量却是量子化的；光子也有质量，但它的静止质量却为零．

光的波粒二象性，实质上是光子的波粒二象性．光子具有粒子性，而它的能量和动量又与波长或频率通过普郎克常数紧密联系在一起．所以，作为微观客体的光子具有波粒二象性，这是光的本性的反映，是对光的认识的深化．随着人类的认识范围不断扩展，不可能直接感知的事物出现在我们面前.在这种情况下我们就要设想一种模型，尽管以日常经验来衡量，这个模型的行为十分古怪，但是只要能与实验结果一致，它就能够在一定范围内正确代表所研究的对象． 光的波粒二向性就是一个典型的例子．

2 光子的双缝干涉实验

光子是一种粒子，它和物质的作用是“一份一份”地进行的．图1是用很弱的光做双缝干涉实验时的照片，可理解为“使光子一个一个地通过狭缝”．图1乙的曝光时间最短．图1（丁）的曝光时间最长．感光胶片放在光屏的位置，图中的白点是光子落在胶片上的痕迹． 这些照片清楚地显示了光的粒子性．图1还告诉我们，当光子的数量很多时（如图1丙和丁），我们无法把它们区分开，因此看起来是连续的．

再看光的波动性．单个光子通过双缝后的落点无法预测．如图1乙．但是研究很多的光子打在胶片上的位置，我们就可以发现出规律性：光子落在某些条形区域内的可能性较大，如图1丙、丁，恰好，这些条形区域正是某种波通过双缝后发生干涉的振幅加强的区域．这个现象表明，光子在空间各点出现的可能性的大小（概率），可以用波动规律来描述．所以我们说光是一种波，并且在物理学中把光波叫做概率波．

3 结论

综上所述，通常所说的“使光子一个一个地通过狭缝”是指使光弱到只能是一个一个的光子通过狭缝，正如使一个一个的微粒进入概率箱一样，以便讨论微粒的统计规律． 值得注意的是这一个一个的光子并不是指彼此“孤立”的单个单个的光子，而是处于同样环境（如同样的仪器或同样的光子）中的大量光子中的一个光子． 这正如同种微粒进入同一个概率箱一样．所以，这一个一个的光子通过狭缝后，曝光时间短（光子数少）时，底片上只出现一些无规则分布的点子，那些点子是光子打在底片上形成的．表现出粒子性；曝光时间长（大量光子）时，底片上就出现了规则的干涉条纹，就像用强光经短时间照射后产生的一样． 遵循必然的统计规律．因此，可以把光的波动性看做是大量的处于同样环境中的光子运动的统计规律．

[1]梁绍荣，刘昌年，盛正华．普通物理学（第五分册）//近代物理学[M]．第2版.北京：高等教育出版社，1994：56-59.

[2]甄长荫．近代物理学（上册）[M]．北京：北京师范大学出版社，1987．

[3]胡素芬．近代物理基础[M]．杭州：浙江大学出版社，1988．

[4]人民教育出版社物理室．物理（第三册）[M]．第2版．北京：人民教育出版社，2006．

[5]人民教育出版社物理室．高级中学课本物理（第二册）（必修）[M]．北京：人民教育出版社，1990．

责任编辑：张隆辉

O43

A

1672-2094(2014)05-0157-02

2014-03-13

许国梁（1977-），男，四川遂宁人，四川职业技术学院艺体系讲师.

刘祖萍（1967-），女，四川泸州人，四川职业技术学院网电教学部副教授.