浅议光和物质的波粒二象性

欧阳义忠

摘 要：光的本性的研究伴随着整个基础物理的发展，光的干涉、衍射、偏振等现象表现出的光的波动性质，以及光电效应等光与物质相互作用的现象中表现出的光的粒子性，历时三个多世纪的波动说和微粒说的争论，最终被光的波粒二象性的观点所代替，为微观粒子波粒二象性的提出打下了坚实的基础。爱因斯坦提出的光同时具有波动性和粒子性，并且由密立根、康普顿在实验中给予证明。玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上，提出了解释原子中电子行为的理论，建立了早期的量子论，但是却只能解释氢原子、类氢原子，具有很大的局限性。在前人的基础上，德布罗意独创性地由光的波粒二象性类比出物质具有波动性的观点，发展了物质波理论，并且在实验中得到了证明，真正建立起整个量子力学的基础。

关键词：光;本性;光量子说;物质;波粒二象性

一、光的本性争论

1.牛顿为首的“粒子说”观点

光的颜色问题早在公元前就有人在猜测，亚里士多德、笛卡儿都认为光是纯洁的、均匀的，色光只是光的变种。牛顿从1663年开始热衷于研究光学。在经过大量实验后，他提出了自己关于光是粒子的观点。牛顿在《光学》中凭借实验结果与分析，建立了光的理论，牛顿的粒子说解释了色散现象以及光的反射、折射现象等，但无法解释“牛顿环”。

2.惠更斯的波动说

胡克主张，光是一种振动，认为光是类似于水波的某种快速脉冲。惠更斯发展了胡克的思想，认为光是一种波（以太纵波），提出光是发光体中微小粒子的振动在以太中的传播，引进了著名的惠更斯原理。

3.托马斯·杨的研究

1801年托马斯·杨发展了惠更斯的波动理论，他利用了同一光源发出的相干光的双缝实验成功地解释了干涉现象。双缝反射实验为托马斯·杨的波动学说提供了很好的证据，这对微粒说来说是个严重的挑战，但是仍受到当时的权威学者的攻击，长时间内没有人理解托马斯·杨的工作。1809年，法国的马吕斯发现了偏振现象，并认为找到了决定性证据可以驳倒波动学说，此时的托马斯·杨开始认识到要用光是横波来代替纵波的概念，这正是后来菲涅耳等人继续发展波动学说研究的出发点。

4.菲涅耳的研究

菲涅耳短暂的一生为波动光学作出了巨大的贡献，他的研究成果颇丰。菲涅耳用实验解释了惠更斯理论无法解释的光的直线传播和影的形成问题。用菲涅耳公式，可以比较准确地计算光在反射与折射时的能量分配问题，可以很好地解释光的反射与折射起偏问题，解释光由光密介质射向光疏介质时的内全反射现象，以及光由光疏介质射向光密介质时反射光的半波损失问题等等。

二、爱因斯坦的光量子说

20世纪之交，物理学面临着革命性的时期，就在大家认为经典物理的大厦即将建立完毕的时候，一些实验却无法用经典理论给出解释，光电效应和黑体辐射就是当时无法解释的实验。

1.光电效应的发现

赫兹的实验证明了麦克斯韦理论的正确性，即光的波动理论的正确性，但是也是赫兹在实验中发现的光电效应最终又导致了微粒说的复活！

光电效应的实验表明：微弱的紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能打出电子，就是说光电效应的产生只取决于光的频率而与光的强度无关。波动说认为光是一种波，它的能量是连续的，能量和光的振幅即强度有关，而和光的频率无关，如果微弱的紫光能从金属表面打出电子来，那很强的红光就更能打出电子来，而实验却是相反的。

2.普朗克的能量子说

普朗克的能量子假说具有划时代的意义，开创了物理学的新纪元，为量子力学的建立奠定了基础。但是他本人及同时代的人都没有认识到这一点，普朗克本人也一直想推翻自己这种违反经典理论的假说。普朗克尽管有许多局限，但毕竟是在科学变革时代的一个新理论的开拓者，他放出了量子幽灵，而这个幽灵最终改变了人们对世界的看法。

3.爱因斯坦的光量子

爱因斯坦分析了从牛顿和惠更斯以来波动说和微粒说的长期争论，指出麦克斯韦电磁波理论的局限性，审查了普郎克处理黑体辐射的思路，总结了光和物质相互作用有关的各种现象，认为光在传播过程中和与物质相互作用的过程中能量是分散的，是一份一份的以能量子的形式出现的。他假设：光和原子、电子一样具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是E=hy。

三、玻尔等人发展的早期量子理论

如果1900年普朗克宣告了量子的诞生，那么1913年玻尔则宣告它进入了青年时代。1908年卢瑟福在指导他的助手做“α粒子大角散射”实验的基础上，提出了有核原子模型，虽然有着实验的支持，但还是面临着无法解释原子稳定性问题这样与经典理论矛盾的问题。玻尔坚信卢瑟福的理论，他意识到要解决这一问题，唯有用量子假说，特别是他看到氢光谱的巴尔末公式及斯特恩关于价电子跃迁产生辐射的理论后，他便“豁然开朗”了，他发表了著名的“三部曲”，主要思想即定态轨道模型，跃迁频率条件，提出了定态轨道原子模型。

物质波理论的提出，标志着波和粒子概念综合的又一次伟大的胜利。从光的波粒二象性到物质的波粒二象性是物理学中最伟大、最优美的类比。

参考文献：

[1]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，2005-08：161.

[2]曹天元.上帝掷色子吗：量子力学史话[M].沈阳：辽宁教育出版社，2005：14，60，76.