光的波粒二象性的发展历史

在牛顿（Newton）和惠更斯（Huygens）的光的微粒说——波动说论战中，胡克（Hooke）、惠更斯（Huygens）、欧拉（L.Euler）、菲涅耳（A.J.Fresnel）和泊松（S.D.Poisson）等先后发展建立了渐入佳境的光的波动理论。

年托马斯·杨（T.Young）的双缝干涉实验证实了光的波动性。

年前后斐索（H.Fizeau）和傅科（L.Foucault）通过实验测出不同折射率介质中的光速使人们决定性的否定了光的粒子性。

年麦克斯韦（Maxwell）提出来电磁理论预言，以及年赫兹（Hertz）用实验证实了电磁波的存在，从而揭示了光的电磁波的本质。

结论：光是电磁波，是电场强度和磁感应场强度的振动在空间中的传播。

（1）几何光学中的费马（Fermat）原理：

其中，为变分，为光从点A到点B的传播路径。进而我们可以推导：

即光在两点之间传播的时间取极小值。Fermat原理的形式与Maupertuis最小作用原理很相似，而Newton力学的分析力学是在粒子的颗粒性本性的基础上建立起来的。因此费马原理间接证明了光的粒子性。

（）爱因斯坦（Einstein）光量子假设：

辐射场本身由光量子组成，组成频率为的单色辐射的每一个光量子的能量为

其中为普朗克（Planck）常数为。年，路易斯（G.N.Lewis）将光量子定名为“光子”。光子以光速运动，根据可得光子的静质量。根据狭义相对论关系有。这样，根据可得光子的动量大小为

又由于圆频率，圆波数，则可将上面两个式子改写为：

其中有时称为狄拉克（Dirac）常数，为波矢，其大小为圆波数，方向沿光子的运动方向。爱因斯坦（Einstein）光量子假设能够解释光电效应的全部实验结果。

（3）光电效应：

当一束光照射在金属表面上时，其表面有电子逸出的现象。逸出的电子称之为光电子。根据实验结果，逸出的光电子的动能为：

其中为截止电压，为常数与金属材料种类无关，与金属材料种类有关。称为金属的截止频率或红线频率。爱因斯坦针对实验现象提出了光电方程：

并对光电效应进行了解释：光量子具有整体性，在与物质相互作用时被物质整体吸收或放出。光照射金属时，电子整个整个的吸收光子，能量增加；增加的能量被电子用来克服金属脱出功并获得初动能脱离金属体。光的粒子性能够解释光电效应中的以下几个现象：第一、截止电压的存在及其与入射光强无关。第二，光电效应的瞬时性。

（4）康普顿（Compton）效应：

年，康普顿（Compton）在研究X射线在石墨上的散射时发现，在散射的X射线中，不但存在与入射线波长相同的射线，同时还存在波长大于入射线波长的射线。根据粒子碰撞的能量与动量守恒可得推算出波长的偏移：

其中，为入射光与散射光的夹角。该结果与实验光测到的波长偏移规律完全相符，因此证明了爱因斯坦光量子假设的正确性。

（5）正负电子对的产生：

年，安德森（C.D.Anderson）将射线照射在原子上产生了正负两个电子，即

另外0年我国物理学家赵忠尧也通过实验发现了双光子产生正负电子对的现象：

光子消失而同时产生正负电子对的这一事实证实了光的粒子性。

年，爱因斯坦（Einstein）提出光同时具有颗粒性和波动性。

年，德布罗意（L.V.deBroglie）进一步阐述了光的波粒二象性，认为在光的理论研究中，必须同时引入粒子概念和周期性概念，必须同时考虑光本身的颗粒性和波动性。

基于对光的波粒二象性的认识，人类建立了完全描述与光相联系的电磁相互作用理论——量子电动力学。这是迄今为止最为成功的理论，其理论计算与实验结果惊人的符合。

参考文献：赵凯华《新概念物理（光学）》

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