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光的波粒二象性






时间:2009-03-14 23:24来源: 作者: 点击:

核心提示: 光一直被认为是最小的物质,虽然它是个最特殊的物质,但可以说探索光的本性也就等于探索物质的本性。历史上,整个物理学正是围绕着物质究竟是波还是粒子而展开的。光学的任务是研究光的本性,光的辐射、传播和接收的规律;光和其他物质的相互作用(如物质对光


光一直被认为是最小的物质,虽然它是个最特殊的物质,但可以说探索光的本性也就等于探索物质的本性。历史上,整个物理学正是围绕着物质究竟是波还是粒子而展开的。 光学的任务是研究光的本性,光的辐射、传播和接收的规律;光和其他物质的相互作用(如物质对光的吸收、散射、光的机械作用和光的热、电、化学、生理效应等)以及光学在科学技术等方面的应用。先熟悉一下有关光的基本知识。 几何光学 光学中以光的直线传播性质及光的反射和折射规律为基础的学科。它研究一般光学仪器(如透镜、棱镜,显微镜、望远镜、照相机)的成像与消除像差的问题,以及专用光学仪器(如摄谱仪、测距仪等)的设计原理。严格说来,光的传播是一种波动现象,因而只有在仪器的尺度远大于所用的光的波长时,光的直线传播的概念才足够精确。由于几何光学在处理成像问题上比较简单而在大多数情况下足够精确,所以它是设计光学仪器的基础。 【光的直线传播定律】 光在均匀媒质中是沿着直线传播的。因此,在点光源(即其线度和它到物体的距离相比很小的光源)的照明下,物体的轮廓和它的影子之间的关系,相当于用直线所做的几何投影。光的直线传播定律是人们从实践中总结出来的。而直线这一概念本身,显然也是由光学的观察而产生的。作为两点间的最短距离是直线这一几何概念,也就是光在均匀媒质中沿着它传播的那条线的概念。所以自古以来,在实验上检查产品的平直程度,均以视线为准。但是,光的直线传播定律并不是在任何情况下都是适用的。如果我们使光通过很小的小孔,则光的传播不再遵守直线传播定律,如果孔的直径在1/100毫米大小我们只能得到一个轮廓有些模糊的小孔的像。孔越小,像越模糊。当孔的限度小到约为1/2000毫米时,人们就看不出小孔的像了。这是光的波动而引起的。 【光的反射】 遇到物体或遇到不同介质的交界面(如从空气射入水面)时,光的一部分或全部被表面反射回去,这种现象叫做光的反射,由于反射面的平坦程度,有单向反射及漫反射(一束平行的入射光线射到粗糙的表面时,因面上凹凸不平,所以入射线虽然互相平行,由于各点的法线方向不一致,造成反射光线向不同的方向无规则地反射)之分。 【光的反射定律】(1)入射光线、反射光线与法线(即通过入射点且垂直于入射面的线)同在一平面内,且入射光线和反射光线在法线的两侧;(2)反射角等于入射角(其中反射角是法线与反射线的夹角。入射角是入射线与法线的夹角)。在同一条件下,如果光沿原来的反射线的逆方向射到界面上,这时的反射线一定沿原来的入射线的反方向射出。这一点谓之为“光的可逆性”。 【反射率】 又称“反射本领”。是反射光强度与入射光强度的比值。不同材料的表面具有不同的反射率,其数值多以百分数表示。同一材料对不同波长的光可有不同的反射率,这个现象称为“选择反射”。所以,凡列举一材料的反射率均应注明其波长。例如玻璃对可见光的反射率约为4%,锗对波长为4微米红外光的反射率为36%,铝从紫外光到红外光的反射率均可达90%左右,金的选择性很强,在绿光附近的反射率为50%,而在红外光的反射率可达96%以上。此外,反射率还与反射材料周围的介质及光的入射角有关。上面谈及的均是指光在各材料与空气分界面上的反射率,并限于正入射的情况。 【折射定律】由荷兰数学家发现,是在光的折射现象中,确定折射光线方向的定律。当光由第一媒质(折射率n1)射入第二媒质(折射率n2)时,在平滑界面上,部分光由第一媒质进入第二媒质后即发生折射。实验指出:(1)折射光线位于入射光线和界面法线所决定的平面内;(2)折射线和入射线分别在法线的两侧;(3)入射角i的正弦和折射角i′的正弦的比值,对折射率一定的两种媒质来说是一个常数,即 此定律是几何光学的基本实验定律。它适用于均匀的各向同性的媒质。用来控制光路和用来成象的各种光学仪器,其光路结构原理主要是根据光的折射和反射定律。此定律也可根据光的波动概念导出,所以它也可应用于无线电波和声波等的折射现象。 【折射率】 表示在两种(各向同性)媒质中光速比值的物理量。光从第一媒质进入第二媒质时(除垂直入射外),任一入射角的正弦和折射角的正弦之比对于折射率一定的两种媒质是一个常数。这常数称为“第二媒质对第一媒质的相对折射率”。(n12),并等于第一媒质中的 任一媒质对真空的折射率称为这媒质的“绝对折射率”,简称“折射率”。由于光在真空中传播的速度最大,故其他媒质的折射率都大于1。同一媒质对不同波长的光,具有不同的折射率;在对可见光为透明的媒质内,折射率常随波长的减小而增大,即红光的折射率最小,紫光的折射率最大。通常所说某物体的折射率数值多少(例如水为1.33,玻璃按成分不同而为1.5~1.9),是指对钠黄光(波长5893×10-10米)而言的。 【光密与光疏媒质】 折射率较大的媒质(光在其中速度较小)与折射率较小的媒质(光在其中速度较大)相比较,前者称“光密媒质”,后者称“光疏媒质”。如水对空气为光密,空气对水为光疏。 【全反射】 光由光密(即光在其中传播速度较小的)媒质射到光疏(即光在其中传播速度较大的)媒质的界面时,全部被反射回原媒质内的现象。光由光密媒质进入光疏媒质时,要离开法线折射,如图4-5所示。当入射角θ增加到某种情形(图中的e射线)时,折射线延表面进行,即折射角为90°,该入射角θc称为临界角。若入射角大于临界角,则无折射,全部光线均反回光密媒质(如图f、g射线),此现象称为全反射。当光线由光疏媒质射到光密媒质时,因为光线靠近法线而折射,故这时不会发生全反射。 【临界角】 光从光密媒质射到光疏媒质的界面时,折射角大于入射角。当折射角为90°时,折射光线沿媒质界面进行,这时的入射角称为“临界角”。当入射角大于临界角时,折射定律就无法适用了,而只会发生全反射现象。 如果光是由某种媒质射向空气界面,则有 即 物理光学 光学中研究光的本性以及光在媒质中传播时各种性质的学科。物理光学过去也称“波动光学”,从光是一种波动出发,能说明光的干涉、衍射和偏振等现象。而在赫兹用实验证实了麦克斯韦关于光是电磁波的假说以后,物理光学也能在这个基础上解释光在传播过程中与物质发生相互作用时的部分现象,如吸收,散射和色散等,而且获得一定成功。但光的电磁理论不能解释光和物质相互作用的另一些现象,如光电效应、康普 顿效应及各种原子和分子发射的特征光谱的规律等;在这些现象中,光表现出它的粒子性。本世纪以来,这方面的研究形成了物理光学的另一部门“量子光学”。 【杨氏干涉实验】杨格于1801年设法稳定两光源之相位差,首次做出可见光之干涉实验,并由此求出可见光波之波长。其方法是,使太阳光通过一挡板上之小孔使成单一光源,再使此单一光源射到另一挡板上,此板上有两相隔很近的小孔,且各与单光源等距离,则此两同相位之两光源在屏幕上形成干涉条纹。因为通过第二挡板上两小孔之光因来自同一光源,故其波长相等,并且维持一定的相位关系(一般均维 持同相),因而能在屏幕上形成固定不变的干涉条纹。若X为屏幕上某一明(或暗)条纹与中心点O的距离,D为双孔所在面与屏幕之间的距离,2a为两针孔S1,S2间之 距离(通常小于1毫米),λ为S光源及副光源S1、S2所发出的光之波长。两光源发出的两列光源必然在空间相迭加,在传播中两波各有各的波峰和波谷。当两列波的波峰和波峰或波谷和波谷相重叠之点必为亮点。这些亮点至S1与S2的光程差必为波长λ的整数倍。在两列波的波峰与波谷相重叠之点必为暗点,这些暗点至S1与S2的光程差必为波长λ/2的整数倍。实验结果的干涉条纹如图4-24所示,它是以P0点为对称点而明暗相间的条纹。P0点处的中央条纹是明条纹。当用不同的单色光源作实验时,各明暗条纹的间距并不相同。波长较短的单色光如紫光,条纹较密;波长较长的单色光如红光,条纹较稀。另外,如果用白光作实验,在屏幕上只有中央条纹是白色的。在中央白色条纹的两侧,由于各单色光的明暗条纹的位置不同,形成由紫而红的彩色条纹。干涉明暗条纹的条件由图4-25所示,设相干光源S1与S2之间的距离为2a,到屏幕E的距离为D,已知D>>2a。在屏幕上任取一点P,P距S1与S2的距离分别为r1与r2。从S1与S2所发出的光,到P点处的光程差是:δ=r2-r1 因D>>2a,所以r2+r1≈2D,因此 如果P为一亮点,按干涉条件,光程差应等于波长的整数倍,即这里K=0相应于在O点处的中央明条纹。K=1,K=2,…等等相应的明条纹分别称为第一级、第二级、…明条纹。 【薄膜干涉】水面上的薄层油膜,机动车在潮湿柏油道上所遗留下来的油迹,或是肥皂泡等,都会在白光中出现灿烂的彩色。所有上述的各例中,均是由薄膜干涉现象引起的。若将一用金属细丝制成的矩形框架,浸以肥皂水形成一层薄膜,然后用弧光灯的白光或阳光照射于其上,就呈现出典型的薄膜干涉。其中一部分是由反射光产生的干涉条纹,而其余的则从皂液膜中透过去。此时从反射光中可以看到许多与水平框架上缘平行的彩色横条纹。不但如此,这些横条纹还会慢慢地向下移动,愈靠近框架上缘则愈宽。此外,透射光在白幕上也显示出许多彩色横条纹,但比起反射光中的条纹要暗淡得多。如果用单色光代替白光,则彩色现象会立即消失,而出现的便是一些彩色条纹的花样类似于明暗相间的条纹。在1800年英国科学家杨格指出薄膜彩色条纹之形成,是因为干涉现象所致。 【牛顿环】又称“牛顿圈”。光的一种干涉图样,是一些明暗相间的同心圆环。例如用一个曲率半径很大的凸透镜的凸面和一平面玻璃接触,在日光下或用白光照射时,可以看到接处点为一暗点,其周围为一些明暗相间的彩色圆环;而用单色光照射时,则表现为一些明暗相间的单色圆圈。这些圆圈的距离不等,随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。它们是由球面上和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。在加工光学元件时,广泛采用牛顿环的原理来检查平面或曲面的面型准确度。图4-28为牛顿环的示意图,B为底下的平面玻璃,A为平凸透镜,其与平面玻璃的接触点为O,在O点的四周则是平面玻璃与凸透镜所夹的空气气隙。当平行单色光垂直入射于凸透镜的平表面时。在空气气隙的上下两表面所引起的反射光线形成相干光。如图中所示。光线在气隙上下表面反射(一是在光疏媒质面上反射,一是在光密媒质面上反射)。形成两相干光线,这两光线之间的光程差是所以             【单缝衍射】单缝衍射的实验装置(夫琅和费单缝衍射)如图4-30所 示。光源S放在透镜L1的主焦面上,因此通过透镜L1后的光线是一平行光束。这束平行光照射在很窄的单缝K上,一部分穿过单缝,再经过透镜L2在屏幕E上将出现衍射条纹的像。实验指出,平行光(波阵面和透镜的光轴相垂直)经过透镜后,会聚在焦面中间的光线相互加强而产生亮条纹,这就证明,周相相同的平行光线,经过透镜而被聚焦时,它们的周相仍然是相同的。故可认为透镜的存在不引起附加的周相差。 图4-31所示为单缝衍射的说明图。设有宽度为a原单缝,在平行单色光的垂直照射下,位于单缝所在处的波阵面AB上的子波沿各方向传播。衍射角(衍射后的平行光束与入射平行光束所成的角)为j的一束平行光经过透镜后,聚焦在屏幕上P点。这种光线的两条边缘光线之间的光程差为BC=asinj P点条纹的明暗完全决定于光程差BC的量值。菲涅耳在惠更斯—菲涅耳原理的基础上,提出了将波阵面分割成许多等面积的波带的方法。在单缝的例子中,可以作一些平行于AC的平面,使两相邻平面之间的距离等于入射光的半波长,即λ/2。假定这些平面将单缝处的波面AB分成AA1、A1A2、A2B等整数个波带。由于各个波带的面积相等,所以各个波带在P点所引起的光振幅接近相等。两相领的波带上,任何两个对应点(如A1A2带上的G点与A2B带上的G′点)所发出的光线的光程差总是λ/2,亦即周期差总是π。经过透镜聚焦(透镜不产生附加周相差),到达P点时周相差仍然是π,结果任何两个相邻波带所发出的光线在P点将相抵消。由此可见,BC是半波长的偶数倍时,即对应于某给定角度j,单缝恰好能分成偶数个波带时,所有波带的作用成对地相互抵消,在P点处将出现暗条纹;如果BC是半波长的奇数,亦即单缝可分成奇数个波带时,在P点处将出现明条纹。 【光的偏振】   【色散】 复色光被分解为单色光,而形成光谱的现象,称之为“色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。如一细束阳光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。这是由于复色光中的各种色光的折射率不相同。当它们通过棱镜时,传播方向有不同程度的偏折,因而在离开棱镜则便各自分散。 【颜色】眼睛对不同波长的光产生的不同的感觉。从而显示出不同的颜色,光的颜色决定于它的频率。一个具有一定波长或频率的光显示出单一的颜色,称为单色光。物体所呈现的颜色由下列诸因素而定:(1) 物体本身的性质——光线照射在物体上,物体依照自己的特性有选择地反射或折射某些颜色的光,而其它颜色的光则的被物体吸收,此称为选择吸收。对于不透明物体的颜色是:选择吸收之后剩余反射光的颜色。如果我们在复色光照明下看物体,譬如红色的布是因为红布反射红色光而吸收其它色光;白色体是将入射的复色白光全部反射。而基本上没有吸收,故显示白色。而透明体的颜色乃是:选择吸收之后所余的透射光之颜色。如红色玻璃只透过红光而吸收其它的色光,故呈红色。(2)照射光的性质——例如以不含红光之光照射红色物体,即呈现黑色;隔红色玻璃观察不含红光之光源亦呈现黑色。这两种情况都是因为光源中不包含该物体能反射或能透射的光,而其余的色光全被吸收的缘故。(3)入射光透进物体内的深浅——可分双向色性及表面色两个方面。表面色:反射光有一部分自表面立即漫射,另一部分而深入少许而后反射。某种物体对某单色光有较强的反射本领,故在透射之光线中几乎不再有此种色光,但这种物体可能对另一种单色光很少吸收而使它大部分透射过去,于是这种单色光就透过了物体因此就有表面色与透过色互异的现象这就是“双色向性”。如金箔反射黄色光,而透过之光呈蓝绿色;铜箔的透过之光亦为蓝色。追究颜色产生的主要根由,应归结为物质电子能态的改变,不同能态之间的电子跃迁决定了其发光的频率,因而它是产生颜色的根本原因。 【分光镜】可产生并观察光谱的仪器,故又称分光仪。也可以用来作简单的波长测量仪器。分光镜的型式很多,各型式间除操作原理的差异外,还有被探测的辐射线不同,辐射频率的区间由红外光到伦琴射红(X光)。一种简单的分光镜就是:从光源S射出的光,经过一狭缝,变成一窄束光后,由凸透镜而变成平行光(窄缝应处在凸透镜的焦平面内),使平行光经过一棱镜而色散,因同色光(同波长)的射线平行,这些光线再通过一凸透镜时则可把各色光发别聚焦在屏幕的不同位置上,于是在屏幕上就呈现出一排按照波长长短排列的彩色的光谱,这就是光源发出的光谱,不同元素的光源它的光谱也各不相同。现在的分光镜中多数都用衍射光栅代替棱镜。如果光栅的表面是凹面的(凹面光栅),这种光栅本身就有聚焦作用,因此可以取消透镜系统。 【光谱】 复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案。例如,太阳光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫次序连续分布的彩色光谱。红色到紫色,相应于波长由7,700~3800×1010米的区域,是为人眼能感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光,紫端之外则为波长更短的紫外光,都不能为肉眼所觉察,但能用仪器记录。因此,按波长区域不同,光谱可分为红外光谱,可见光谱和紫外光谱;按产生的本质不同,可分为原子光谱、分子光谱;按产生的方式不同,可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱;按光谱表观形态不同,可分为线光谱、带光谱和连续光谱。光谱的研究已成为一门专门的学科,即光谱学。光谱学是研究原子和分子结构的重要学科。 【光的电磁说】说明光在本质上是电磁波的理论。电磁辐射不仅与光相同,并且其反射、折射以及偏振之性质也相同)由麦克斯韦的理论研究表明,空间电磁场是以光速传播,这一结论已被赫兹的实验证实。麦克斯韦,在1865年得出了结论:光是一种电磁现象。按照麦克斯韦的理论式中c为真空中的光速。v为在介电常数为ε和导磁系数为μ的媒质中的光速,因为c/v=n,所以这个关系式给出了物质的光学常数,电学常数和磁学常数之间的关系。当时从上述的公式中看不出n应随着光的波长λ而改变,因而无法解释光的色散现象。后来罗仑兹在1896年创立了电子论,从这一理论看,介电常数ε是依赖于电磁场的频率,即依赖于波长而变的,从而搞清了光的色散现象。光的电磁理论能够说明光的传播、干涉、衍射、散射、偏振等许多现象,但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质,所以还需要近代的量子理论来补充。 【光速】 一般指光在真空中的传播速度。真空中的光速是物理学的常数之一,它的特征是:(1)一切电磁辐射在真空中传播的速率相同,且与辐射的频率无关;(2)无论在真空中还是在其他物质媒质中,无论用什么方法也不能使一个信号以大于光速c的速率传播;(3)真空中光速与用以进行观测的参照系无关。如果在一伽利略参照系中观察到某一光信号的速率为c=2.99793×1010厘米/秒,那么,在相对此参照系以速度v平行于光信号运动的另一个伽利略参照系中,所观测到的光信号一定也是c,而不是c+v(或c-v),这就是相对论的基础;(4)电磁学理论中的麦克斯韦方程和罗伦兹方程中都含有光速。当用高斯单位来写出这两个方程时,这一点特别明显。光在真空中的速度为c,在其他媒质中,光的速度均小于c,且随媒质的性质和光波的波长而不同。 【电磁波谱】在空间传播着的交变电磁场,(即电磁波)。它在真空中的传播速度约为每秒30万公里。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波,不过它们的产生方式不尽相同,波长也不 同,把它们按波长(或频率)顺序排列就构成了电磁波谱。依照波长的长短以及波源的不同,电磁波谱可大致分为:(1)无线电波——波长从几千米到0.3米左右,一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波;(2)微波——波长从0.3米到10-3米,这些波多用在雷达或其它通讯系统;(3)红外线——波长从10-3米到7.8×10-7米;(4)可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从(78~3.8)×10-6厘米。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分;(5)紫外线——波长从3×10-7米到6×10-10米。这些波产生的原因和光波类似,常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当,因此紫外光的化学效应最强;(6)伦琴射线——这部分电磁波谱,波长从2×10-9米到6×10-12米。伦琴射线(X射线)是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的;(7)γ射线——是波长从10-10~10-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的,放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强,对生物的破坏力很大。 【光的散射】当光通过不均匀媒质悬浮的颗粒或分子时,部分光束将偏离原来方向而分散到各个不同方向去,称之为光的散射。如太阳光束射到地球表面时必须穿过大气层,因此阳光要受到空气分子和悬浮在空中的细小的尘埃粒子的散射。散射光的强度和光波长的四次方成反比,也就是说,波长越短的光,越多地被散射。阳光经过大气层时,其短波部分,如兰光和紫光较多地被散射掉,透过大气层而射到地面上的阳光中波长较长的黄光和红光的成分更多一些。所以没有射向地面而从空中穿过的阳光,它的兰紫色部分被散射到地面。如图4-33所示而使天空呈现蓝色。旭日和夕阳呈红色。这是因为早晚阳光以很大的倾角穿过大气层,经历的大气层要远比中午时厚得多,所以波长较短的蓝光、紫光等几乎全部被散射掉。而剩下波长较长的黄光和红光到达观察者。 【黑体辐射现象】德国物理学家普朗克1900年为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释上 的困难,创立了物质辐射(或吸收)的能量只能是某一最小能量单位(能量量子)的整数倍的假说,即量子假说,对量子论的发展有重大影响。在热力学和统计物理学方面,如关于热力学定律的表述、非平衡态理论等,都有一定贡献。当时他为了推导出一个与实验结果相符合的黑体辐射公式,普朗克把黑体辐射看作是带电谐振子振动时释放的能量,并假设这些谐振子的能量不能连续变化,而只能取一些分立值,如果振子的固有频率为v则它们只能量最小能量ε0=hv(h表示普朗克常数,物理学中普适常数之一,其数值为6.62×34-34焦耳·秒。)的整数倍:ε0,2ε0,3ε0,…,nε0…,这些分立的能量值称为谐振子的能级。能量的变化竟然是不连续的,这不仅对古典物理理论是离经叛道的,而且也为常识所不容。量子论的出现,物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式,而不承认他的理论性的量子假说。在当时的环境下,就连普朗克本人也对自己的冒昧行动惴惴不安,甚至一有机会就想倒退到古典立场。用他的话说,这“完全是一种孤注一掷的行动”,“由于当时考虑到这个问题对于物理具有根本的重要性”,“必须不惜任何代价去找出理论解释。” 【光电效应】物质(主要指金属)在光的照射下释放出电子的现象,称之为光电效应。其所释放出的电 子叫做“光电子”。1887年德国物理学家,赫兹首先发现,这种效应不能简单地用光的波动理论来解释,1905年爱因斯坦引入光子概念才满意地说明了这一现象。根据爱因斯坦的理论,当光照射到物体上时,光子的能量可被物体中某个原子的外层电子全部吸收。如果电子吸收的能量hv足够大,使它不但具有足以摆脱原子束缚它的能昨(即电离能量)I,而且还有能量用于脱离物体表面所需的逸出功(或叫做功函数)W,则电子就可以从物体表面税逸出来,成为光电子,这就是光电效应的过程爱因斯坦方程是 如果hv<W,电子就不能脱出金属的表面。对于一定的金属,产生光电效应的最小光频率(极限频率)v0由hv0=W确定。 由此可见,光电效应只有在照射物体的光频率大于某个确定值时,物体才能发出光电子,这个频率就是v0,相应的波长λ0通常称为红限波长。不同的物质具有不同的极限频率v0和相应的红限波长λ0。被照物体发射的光电子数和照射光的强度成正比。光电子脱出物体时的初始动能只和照射光的频率有关而与发光强度无关。从实验中还得知,产生光电流的过程非常快,一般不超过10-9秒;光照射停止,光电流也就立即停止。这表明光电效应是瞬时的。利用光电效应可以制造光电倍增等。光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大的电脉中,然后送到电子线路中,被记录下来。大多数纯金属材料的逸出功约在2~6电子伏特之间或大一些。这表明其红限波长要小于4×10-5厘米,可见,可见光对这些物质不能产生光电效应。高效率的光电效应材料,除逸出功应较低外,还需具有能将大部分照射光吸收,并能更多地将它转变为电子动能的特性,所以反射性高及透明的物质不是理想的光电效应材料。碱金属钠、钾等物质是极好的光电效应材料。其中钾的逸出功为2eV(电子伏特),钠的逸出功为2.3eV。 密立根和康普顿的精密实验研究终于确立了光量子论的地位,他们因此分别获1923年和1927年诺贝尔物理学奖。 【光的波粒二象性】光电效应和康普顿效应,使人们无法不承认光的量子性质,而干涉和衍射现象又使人们不能放弃光的波动性。把光的两重性质——波动性和微粒性联系起来,即动量和能量是光的粒子性的描述,而频率和波长则是波的特性。虽然普朗克和爱因斯坦的理论揭示出光的微粒性,但这并不否定光的波动性,因为光的波动理论早已被干涉、衍射等现象所完全证实。这样光就具有微粒和波动的双重性质,这种性质便被称为光的波粒二象性。1925年玻恩提出的波粒二象性的统计解释,把波动性和粒子性联系起来。这种统计的观点,统一了粒子概念和波动概念。一方面它具有集中的能量、质量和动量,也就是光的粒子性;同时在另一方面,它们在各处出现,具有一定的几率,由这个几率可以算出它们在空间的分布,这种空间分布又和波动的概念一致。必须注意的是,光子既不是经典的波,也不是经典的粒子,更不是两者的混合。其实当光子和物质相互作用时,它是粒子;当它在运动时,观察到衍射现象来说,它是波动。但它究竟是什么,很难用经典物理学的概念来完全描述。真正把光的波粒二象性统一地反映出来的理论是量子电动力学,它是在量子力学的基础上建立起来的。不仅光具有波粒二象性,而且电子、原子等一切实物粒子也都具有两重性。且一个动量为P、能量为E的自由运动粒子,相当于一个波长为λ=h/p、频率为ν=E/h,并沿粒子运动方向传播的平面波(h为普朗克常数)。这种对微观粒子所具有波动性的描述,叫做物质波,即德布罗意波。但是不能因此而忽视光子和电子、原子等实物粒子之间的差别。例如,就速度方面,光在真空中的传播速度只有一个不变的速度,即光速c,而电子可以有小于光速的任何速度;在质量方面电子有静止质量,而光子的静止质量等于零。尽管如此,电子和光子之间仍然有着内在联系。当能量超过1.02MeV(兆电子伏特)的光子,在经过另一粒子(通常是原子核)附近时,就可转化为电子对。反之当电子和正电子相遇时,电子对将湮没而转化为两个光子,这一现象揭示了光子和电子有着深刻的联系,它也说明了物质存在形式之间的相互转化。 光的波动说与微粒说之争 在人们对物理光学的研究过程中,光的本性问题和光的颜色问题成为焦点。关于光的本性问题,笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中提出了两种假说。一种假说认为,光是类似于微粒的一种物质;另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用,但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。 十七世纪中期,物理光学有了进一步的发展。1655年,意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时,首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。 格里马第设计了一个实验:让一束光穿过一个小孔,让这束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上。他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了。格里马第进行了进一步的实验,他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上,这时得到了有明暗条纹的图像。他认为这种现象与水波十分相像,从而得出结论:光是一种能够作波浪式运动的流体,光的不同颜色是波动频率不同的结果。格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念,是光的波动学说最早的倡导者。1663年,英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质,而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处,为后来的研究奠定了基础。不久后,英国物理学家胡克重复了格里马第的试验,并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说,胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。 然而1672年,伟大的牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》中谈到了他所作的光的色散实验:让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上,在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为,光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。 1672年2月6日,以胡克为主席,由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和色的新理论》基本上持以否定的态度。牛顿开始并没有完全否定波动说,也不是微粒说偏执的支持者。但在争论展开以后,牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳。由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论,因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。但科学上的争论就是这样,一旦产生便要寻个水落石出。 波动说的支持者,荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学等领域做出了重要贡献,并系统的对几何光学进行过研究。1666年,惠更斯应邀来到巴黎科学院以后,并开始了对物理光学的研究。在他担任院士期间,惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿。二人彼此十分欣赏,而且交流了对光的本性的看法,但此时惠更斯的观点更倾向于波动说,因此他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后,惠更斯重复了牛顿的光学试验。他仔细的研究了牛顿的光学试验和格里马第实验,认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此,他提出了波动学说比较完整的理论。 惠更斯认为,光是一种机械波;光波是一种靠物质载体来传播的纵向波,传播它的物质载体是“以太”;波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论,惠更斯证明了光的反射定律和折射定律,也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。如果说这些理论不易理解,惠更斯又举出了一个生活中的例子来反驳微粒说。如果光是由粒子组成的,那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞,这样一定会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。 就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时,牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作《光学》。基于各类实验,在《光学》一书中,牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由:第一,光如果是一种波,它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子;第二,冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质,波动说无法解释其原因。另一方面,牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界,并与他的质点力学体系融为一体,为微粒说找到了坚强的后盾。 为不与胡克再次发生争执,胡克去世后的第二年(1704年)《光学》才正式公开发行。但此时的惠更斯与胡克已相继去世,波动说一方无人应战。而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献,成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高,人们对他的理论顶礼膜拜,重复他的实验,并坚信与他相同的结论。整个十八世纪,几乎无人向微粒说挑战,也很少再有人对光的本性作进一步的研究。 十八世纪末,在德国自然哲学思潮的影响下,人们的思想逐渐解放。英国著名物理学家开始对牛顿的光学理论产生了怀疑。根据一些实验事实,杨氏于1800年写成了论文《关于光和声的实验和问题》。在这篇论文中,杨氏把光和声进行类比,因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象,他认为光是在以太流中传播的弹性振动,并指出光是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。1801年,杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象,从而证明了光是一种波。同年,杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文,分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释,首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。 1803年,杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》。他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释,认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。但由于他认为光是一种纵波,所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评,被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”。 虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤,但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。 1808年,拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象,批驳了杨氏的波动说。 1809年,马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时,他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波,而纵波不可能发生这样的偏振,这一发现成为了反对波动说的有利证据。 1811年,布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。 光的偏振现象和偏振定律的发现,使当时的波动说陷入了困境,使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。 面对这种情况,杨氏对光学再次进行了深入的研究,1817年,他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法,提出了光是一种横波的假说,比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后,他又建立了新的波动说理论。杨氏把他的新看法写信告诉了牛顿派的阿拉戈。 1817年,巴黎科学院悬赏征求关于光的干涉的最佳论文。土木工程师菲涅耳也卷入了波动说与微粒说之间的纷争。在1815年菲涅耳就试图复兴惠更斯的波动说,但他与杨氏没有联系,当时还不知道杨氏关于衍射的论文,他在自己的论文中提出是各种波的互相干涉使合成波具有显著的强度。事实上他的理论与杨氏的理论正好相反。后来阿拉戈告诉了他杨氏新提出的关于光是一种横波的理论,从此菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究。1819年,菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验,继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间之后,转向了波动说。1819年底,在非涅耳对光的传播方向进行定性实验之后,他与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论。 1882年,德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后,德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说,对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。  至此,新的波动学说牢固的建立起来了。微粒说开始转向劣势。 随着光的波动学说的建立,人们开始为光波寻找载体,以太说又重新活跃起来。一些著名的科学家成为了以太说的代表人物。但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难,于是各种假说纷纷提出,以太成为了十九世纪的众焦点之一。 菲涅耳在研究以太时发现的问题是,横向波的介质应该是一种类固体,而以太如果是一种固体,它又怎么能不干扰天体的自由运转呢。不久以后泊松也发现了一个问题:如果以太是一种类固体,在光的横向振动中必然要有纵向振动,这与新的光波学说相矛盾。 为了解决各种问题,1839年柯西提出了第三种以太说,认为以太是一种消极的可压缩性的介质。他试图以此解决泊松提出的困难。1845年,斯托克斯以石蜡、沥青和胶质进行类比,试图说明有些物质既硬得可以传播横向振动又可以压缩和延展——因此不会影响天体运动。 1887年,英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷以“”实验否定了以太的存在。但此后仍不乏科学家坚持对以太的研究。甚至在法拉第的光的电磁说、麦克斯韦的光的电磁说提出以后,还有许多科学家潜心致力于对以太的研究。 十九世纪中后期,在光的波动说与微粒说的论战中,波动说已经取得了决定性胜利。但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难,却预示了波动说所面临的危机。 1887年,德国科学家赫兹发现光电效应,光的粒子性再一次被证明! 二十世纪初,普朗克和提出了光的量子学说。1921年,爱因斯坦因为"光的波粒二象性"这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。 1921年,康普顿在试验中证明了X射线的粒子性。1927年,杰默尔和后来的乔治·汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。 在新的事实与理论面前,光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。 光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始,至二十世纪初以光的波粒二象性告终,前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯.杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。
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