第四章 波粒二象性 第三节 光的波粒二象性 粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册 一、光的本性之争 在古代，由于科技发展水平所限，人类对光的认识只限于某些简单的现象和规律描述。我国战国时期的《墨经》记载了投影、小孔成像等光学现象，古希腊学者欧几里得的《反射光学》论述了光在传输过程中的原理和光的反射定律。 随着科学的发展，人们逐渐开始以科学的方法来研究光，并发现了反射、折射等一些基本的光学规律。到了17世纪，科学家们开始对光的本性进行研究，出现了截然不同的两种观点。英国物理学家牛顿认为光是一种微粒，而荷兰物理学家惠更斯却认为光是一种波。惠更斯认为，如果光是一种微粒，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向，可人们并没有观察到这种现象，所以微粒说是错误的。牛顿则坚持光的微粒说。他认为，既然光是沿直线传播的，那就应该是微粒，因为波会弥散在空间中，不会聚成一条直线，最直观的实验证明就是物体能挡住光而形成阴影。由于牛顿在物理学界的崇高地位，在相当长时间里，光的微粒说一直占据上风。 1807年，英国科学家托马斯·杨做了著名的光的双缝干涉实验，得到了明暗相间的干涉条纹，并由此测定了光的波长。由于干涉现象是波的重要特征之一，所以该实验为光的波动性提供了重要的实验依据。随着时间的推移，波动说取得了越来越多的证据，英国科学家麦克斯韦在建立电磁理论的研究过程中，于1862年预言了光是一种电磁波、1888年，德国物理学家赫兹通过实验发现了人们期待已久的电磁波。至此，似乎波动说终于彻底击败了微粒说，但是人们对于光的本性的探究并没有因此而止步。 【讨论·交流】 光电效应和康普顿效应让光的微粒说以一种新的形式呈现于世人面前。但爱因斯坦所说的“光子”与牛顿所坚持的“微粒”是一样的吗？通过“光的本性”之争，你能感悟到人类对自然界的认识有何特点和规律？请结合人类对光的本质认识过程，谈谈物理实验对于物理学发展的价值。 二、光的波粒二象性 光的干涉和衍射实验表明，光是一种电磁波，具有波动性。而光电效应和康普顿效应则表明，光在与物体相互作用时，光子表现出粒子性。那么，光到底是粒子还是波呢？下面我们通过光的双缝干涉实验来研究这个问题。 如图所示，由光源S发出的光经双狭缝S1和S2后到达感光片D。我们知道，经过缝S1和经过缝S2的两部分光会产生干涉，结果将在感光片上形成明暗相间的干涉条纹。这是光的波动性表现。 但是，上述光的干涉并没有完全排除光是粒子的可能性。如果我们把从光源S发出的光看成是由大量光子组成的，那么可以认为，部分光子经过了缝S1，部分光子经过了缝S2，然后两部分光子相互干涉产生了干涉条纹。为了排除这种可能性，我们换一种方法再做上述实验。 我们将光源S的强度降低，直到入射光减弱到每次只有一个光子经过狭缝，前一个光子已经消失在感光片上，后一个光子才从光源出发。记录一段时间，这时感光片上呈现杂乱分布的几个亮点，如图4-3-5(a)所示。每个亮点都是一个光子在感光片上留下的记录，这显示出了光的粒子性。适当增加记录时间，我们会惊奇地发现，亮点在感光片上形成模糊的亮纹，如图4-3-5(b)所示。光子主要落在感光片的亮纹处，这就是干涉条纹。记录时间越长，干涉条纹越明显，图4-3-5(c)就是长时间记录形成的清晰的干涉图样。干涉条纹再次显示出光的波动性。 由于每次穿过狭缝的只有一个光子，它不可能跟其他光子产生干涉，但光的干涉还是不发生了。可见，波动性也是光子的属性。光既有粒子性，又有波动性，人们把这种性质称为光的波粒二象性。 我们知道，光子能量和动量表示为????=????????和????=????????其中，能量????和动量p是描述光子粒子性的重要物理量，频率v和波长????是描述光子波动 ... ...
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