證明光有波動特性

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光的波動特性

光的干涉、衍射和偏振等現象無可爭辯地表明光具有波動性，而光電效應又無可爭辯地表明光是具有能量E＝hv的光子流，也就是說光具有粒子性。這樣，已經退出歷史舞臺的光的微粒說，在二十世紀初又以新的形式被重新提了出來。當然人們現在對光的粒子性的認識比起十七世紀牛頓提出微粒說時已經不大相同。人類對光的本性的認識經過曲折的發展過程已經越來越深入了。現在，人們認識到，光既具有波動性，又具有粒子性，也就是說，光具有波粒二象性。

十七世紀的微粒說和波動說是互相對立的兩種學說，都企圖用一種觀點去說明光的本性，這是受了傳統觀念的影響。傳統觀念是我們在觀察周圍世界的宏觀現象中形成的，波動性和粒子性在宏觀現象中是互相對立的、矛盾的，沒有任何宏觀物體既有波動性、又有粒子性。對於宏觀物體來說，波粒二象性是不可想像的。

但是，對於光子這樣的微觀粒子，卻只有從波粒二象性出發，才能說明它的各種行為。實際上，光子說並沒有否定光的電磁說，光子的能量E＝hv，其中的頻率v表示的仍是波的特徵。此外，從光子說和電磁說還往往得到一致的結論。例如，光子說和電磁說都可以推導出光具有動量，並且為實驗所證實。光子說的結論是光子的動量P=hv/c ，電磁說的結論是輻射能E具有的動量是p＝E/c。由於光子的能量E＝hv，所以從這兩個學說得到的結論是一致的。由於c＝λν，光子的動量也可。

以寫成 P=h/λ ，式中的波長λ表示的也是波的特徵。可見，對於宏觀物體來說不可想像的波粒二象性，在微觀世界卻是不可避免地必須予以承認的現實。接受光的波粒二象性，就要求我們既不可把光當成宏觀觀念中的波，也不可把光當成宏觀觀念中的粒子。

那麼，在微觀世界中，波和粒子又是怎樣統一起來的呢？物理學家做的下述實驗可以幫助我們理解這個問題。在光的雙縫干涉實驗中，在像屏處放上照相底片，並設法減弱光流的強度。由於每個光子的能量hv可以從頻率v算出，因此進一步從光流的能量可以算出所含光子的數目。這樣就可以使光流減弱到使光子只能一個一個地通過狹縫。實驗結果表明，如果曝光時間不太長，底片上只出現一些無規則分佈的點子，那些點子是光子打在底片上形成的，表現出光的粒子性。這些點子的分佈是無規則的，可見光子的運動跟我們在研究宏觀現象時假設的質點的運動不同，沒有一定的軌道。如果曝光時間足夠長，底片上就出現了規則的干涉條紋，就象用強光經短時間曝光後產生的一樣。可見，光的波動性是大量光子表現出來的現象。在干涉條紋中，那些光波強度大的地方，也就是光子到達機會多的地方，或者說，是光子到達的幾率大的地方；光波強度小的地方，是光子到達的幾率小的地方。所以，從這種意義上，可以把光的波動性看做是表明大量光子運動規律的一種幾率波。

一般說來，大量光子產生的效果往往顯示出波動性，個別光子產生的效果往往顯示出粒子性，讓我們稍稍詳細地說明一下。

無線電波的頻率較低，波長較長，這種電磁波的“光子”的能量很低。以頻率為1兆赫的無線電波來說，它的“光子”的能量只有410-9電子伏。能量這樣低，只有非常大量的“光子”才能使接收裝置發生反應。較好的接收機大約要每秒收到1010個這樣的“光子”才起作用。所以，這部分電磁波的波動性很容易觀察到，要觀察這部分電磁波的粒子性，覺察個別“光子”的作用，卻是非常不容易的。

可見光的頻率範圍大致是41014～81014赫，這種光子的能量大約是幾個電子伏。人造的儀器設備既可以比較容易地探測到大量的這種光子的作用，也可以比較容易地探測到少數這種光子的作用，因此這種電磁波的波、動性和粒子性都能夠比較容易地觀察到。

隨著電磁波頻率的增大，波長越來越短，波動性就越來越不顯著，而粒子性卻越來越明顯了。倫琴射線的光子的能量大約是幾千電子伏，γ射線的光子的能量在幾兆電子伏以上。個別γ射線的光子很容易探測出來，而要看到它們的干涉、衍射現象卻很困難了。倫琴射線只有用晶體作衍射光柵才能看到衍射圖樣，因為晶體內粒子間的距離恰好是10-10米左右。至於γ射線，連用晶體作衍射光柵也不行，因為晶體裡粒子間的距離，比它的波長大得不可比擬。

總之，要理解各種頻率的電磁波，我們必須綜合運用波動的觀點和粒子的觀點。而且要注意到，這裡的波動並不等同於宏觀世界裡的機械波，這裡的粒子也不等同於宏觀世界裡的質點。

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