波粒二象性的认识和理解

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1、波粒二象性的认识和理解第一章波动说和微粒说的提出和发展光学是一门最古老的物理学分支之一。对于光的本性问题，一直是科学家们关心和热衷探讨的问题。17世纪以来，随着科学技术的发展，波动说与微粒说之间的争论达到了空前激烈的地步，也就是物理学史上著名的微粒说与波动说之争。1.1波动说的提出17世纪中期，物理光学有了进一步发展。1655年，最先发现了光的衍射现象的是意大利波仑亚大学的数学教授弗朗西斯科•格里马第，是他在观察光束中的小棍子的影子时发现的。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。随后，格里马第设计实验：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

2、现象与水波的衍射十分类似，因此得出结论：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。“光的衍射”概念被格里马第首次提出，格里马第是光的波动学说最早的倡导者。胡克是光的波动说的支持者。在格里马第实验的基础上，英国物理学家罗伯特•胡克重复了实验，他在观察了肥皂泡膜的颜色后，提出“光是以太的一种纵向波”的假说。胡克依据自己提出的假说，认为光的颜色是由它的频率所决定。波动说的又一支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家克里斯蒂安•惠更斯继承并完善了胡克的观点，惠更斯认为，光是一种机械波；光波是以“以太”为载体来传播的纵向波，其波源即是波面上引起媒质振动的各个点。以这个

3、理论为依据，惠更斯成功证明了光的反射、折射定律，而且光的双折射、衍射现象和“牛顿环”实验都得到了很好的解释。1.2微粒说的提出关于光的本性，光学大师牛顿是这样认为的：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒说。1666年，牛顿首先做了一个著名的三棱镜实验，让一束太阳光照射过第一个三棱镜后，太阳光分解成几种不同颜色的光谱带，再将其他颜色的光用一块带狭缝的挡板挡住，只允许一种颜色的光再通过次三棱镜，结果只有同种颜色的光射出，因此牛顿得出组成白光的是各种不同

4、颜色的光的结论。随后，牛顿通过实验把几种颜色不同的单色光合成复色光，还通过计算各种颜色的单色光的折射率解释了光的色散现象。1672年,牛顿在他的《关于光和色的新理论》一文中提出，光可能是球形的物体，这是他微粒说提出的初始形态，并用微粒说阐述了光的颜色理论[1]。牛顿的微粒说成功地解释了光的直进、反射和折射现象。微粒说通俗易懂，对一些常见的光学现象又能完美地解释，因此很快得到了人们的承认和支持。1.3波动说和微粒说之争光的波动说和微粒说之间激烈的争论维持了三个世纪之久，最终以波粒二象性告终。微粒说和波动说之间的最初的争论实际上是由“光的颜色”引起的。格里马第和胡克都认为光的颜色是由其频

5、率决定的。惠更斯也认为光是一种机械波。但是牛顿则认为，物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。以胡克和牛顿为代表的两派之间由此展开了漫长而激烈的波粒之争。托马斯•杨在追求真理上并不盲目迷信权威，1801年，杨氏在发表的《关于声和光的实验和问题》一文中将光和声进行类比：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以纵波形式传播的一种弹性振动。杨氏在他的双缝干涉实验中，在白屏上得到的条纹是明暗相间的，从而证明了光的干涉现象。杨氏实验证明了光是一种波，他是用光的叠加原理来解释的。杨氏实验为光的波动说的建立奠定了基础。1809年，法国物理学家马吕斯发现了光的偏

6、振现象，在进一步研究后，他发现光在传播时发生部分偏振是在光的折射现象中。根据惠更斯的纵波理论，纵波是不可能发生部分偏振的。但在1817年，杨氏提出光是纵波的假说，比较成功地解释了光的偏振现象。物理学家们发现的光的偏振现象，使当时的被人们普遍接受的波动说陷入了困境。光的偏振现象被认为是反对波动说的有力证据，使得对光的研究偏向微粒说的方向发展。第二章波粒二象性的提出和深化2.1光的电磁理论的建立1865年，麦克斯韦在总结了从库伦、安培到法拉第等人的电磁说成就的基础上，提出了“漩涡电场”和“位移电流”两个基本假设，把电磁现象的规律概括成一方程组，即麦克斯韦方程组，并由此预言了电磁波的存在。

7、在麦克斯韦理论中，电磁波的传播速度等于电荷量的电磁单位与静电单位之比。1856年韦伯和柯尔劳斯测定出此比值为310740000，与1849年菲佐、1851年傅科所测定的真空中的光速惊人的接近，据此，麦克斯韦认为光是电磁波。1888年赫兹用谐振回路产生了电磁波，并在与之相分离的回路中接收到电磁波，由此证实了电磁振荡在空间的传播，即电磁波的存在。赫兹利用自己创制的设备进行了许多实验，证明电磁波和光一样，能产生反射、折射、干涉、衍射和偏振现象。赫兹实验的结果不仅