破解光的波粒二象性之谜
投稿人:文思奇 投稿时间:2024-07-01 07:46 访问量:

十九世纪末,光的波动说与微粒说之争以波动说的全面胜利而结束。然而,就在德国物理学家赫兹于1887年用实验证实了电磁波存在的同时,又意外的发现了金属的光电效应。在光电效应的实验中,一些金属在很微弱的蓝光照射下即可产生电流,但无论用多么强大的红光照射也不会有电流产生。实验表明,各种金属都有一个特定数值的极限频率,只有当入射光频率大于金属的极限频率时,才会有电子从金属中逸出形成电流。逸出电子的初动能与入射光的强度无关,而只随着入射光的频率增高而增大。这些现象是已有光的波动理论所无法解释的。

1905年,爱因斯坦为解释光电效应提出了“光子说”。他认为光是由一个一个具有特定份额能量的“光子”组成的,每个“光子”所具有的能量同它的振动频率成正比,即E=hυ(h为普朗克常数,υ为光子的振动频率)。由于“光子”具有的能量呈量子化,所以电子从撞击它的“光子”那里所接受到的能量就只能是一份一份的分立的数额。而一个电子要逸出原子是需要某一最小能量数值(逸出功)的,因此,只有具有能量份额不小于电子逸出功(W)的“光子”,即振动频率达到一定数值之上的“光子”,才有能力将电子从原子中击出。而被击出的电子的最大初动能E=hυ-W ,与入射光频率成一次函数关系。

爱因斯坦的“光子说”较为完满的解释了光电效应。但问题是:光究竟是在以太介质中传播的波动呢,还是在空间中运动着的粒子流呢?对此,物理学家只是模棱两可的告诉我们:光具有“波粒二象性”。在遇到光的干涉、衍射、偏振等现象时,物理学家就用光的“波动说”来解释;在遇到光电效应、黑体辐射等现象时,物理学家则用“光子说”来说明。

事实上,光的干涉、衍射、偏振等现象,都充分无疑的证明了光就是一种波,那么,为什么在光电效应中,光又明显的表现出“粒子”的特性呢?

问题在于:光波的传播介质并非是连续的物质,而是由一些极其微小的基本物质单元构成的。就如同声波的传播介质“空气”是由许多微小的气体分子构成的那样,光波的传播介质“以太”也是由无数个微小的“以太粒子”构成的。所谓光波,实际上就是在以太介质中传播的以太粒子的振动。

以太粒子既然在振动,就会具有一定的能量,其所具有能量的大小是由以太粒子的质量和振动频率这两个因素共同决定的。由于每个以太粒子的质量都是一样的,所以,一个以太粒子所具有的能量数额的多少主要就取决于其振动频率的高低,即E=hυ。而普朗克常数h中的“6.626×10^-34 J”这一不可再分的最小能量值,就是一个每秒振动一次的以太粒子所具有的最基本的能量份额。

当光波与宏观物体发生相互作用时,由于单个以太粒子所具有的能量份额相对于能量传递的总额来说实在是太微小了,所以,我们对以“6.626×10^-34 J”为能量基本份额而发生的分立的能量传递过程,就会粗略的视为是“连续”的能量传递过程。但是,当光波与电子这样大小的微观粒子发生相互作用时,情况就大不一样了。这时我们考察的已经不是无数多个以太粒子与一个宏观物体之间的相互作用,而是单个以太粒子与单个电子之间的相互作用。虽然单个以太粒子具有的能量份额对宏观物体的作用是微乎其微的,但对于一个和以太粒子同等级别的电子来说,就可能会明显的改变电子的运动状态。

根据光电效应实验现象可以推断:以太粒子的尺度应该是和电子大小相当的,而且均匀分布于空间之中的各个以太粒子之间的空间间隔要大于电子的直径,这样就使得一个电子每一次只能受到一个以太粒子的撞击。因此,要想使一个电子从原子中逸出,与这个电子发生撞击的那个以太粒子所具有的能量份额就不能小于电子的逸出功,亦即以太粒子的振动频率必须达到一定数值之上方可。

由此可见,只有当光波和电子这样微小的微观粒子发生相互作用之时,光波能量传递的“分立”性质才会凸显出来。从宏观的角度可以被粗略的视为是“连续”的能量传递过程,在微观世界中就表现为能够明显改变微观粒子运动状态的分立的能量传递过程。

综上所述,我们得出的结论是:“光”就其实质来说就是一种“波”,光是以“波”的形式而不是以“粒子”的形式穿越空间的。“光”既然是“波”,就必定有传播的介质。传播光波的介质“以太”弥漫于宇宙空间,但“以太”并非是连续的物质,而是由无数个极其微小的以太粒子构成的,所谓光波就是在以太介质中传播的以太粒子的振动。当光波作用于宏观物体的时候,能量传递可以粗略的被视为是连续的过程;但是当光波与微观粒子发生相互作用时,光波就会明显的表现出“粒子”的特性,这是由以太介质的不连续性所决定的。