2. 二象性的光子
光是人們特別熟悉的現象， 人的工作、學習都離不開它。但光到底是什麽呢？ 對它的本質的認識卻是經曆了一個十分漫長而曲折的過程。
最初， 人們從光的直線傳播出發認為光是由發光體射出來的粒子流。後來， 發現了光的幹涉、衍射、雙折射現象， 又有人提出光是一種波動。這兩種不同的觀點交替地占據主導地位。到19 世紀， 電磁學理論表明， 光的本質就是電磁波。這樣一來， 似乎光的波動本質說占據了上風。
可是， 進入20 世紀以後。這種關於光的本性的認識遇到了新的問題。在湯姆遜發現電子之後， 物理學家注意到了這樣一個現象： 當一定頻率的光照射到金屬表麵時， 會有電子從金屬表麵逸出， 這就是光電效應。其實這一現象早在1887 年， 德國物理學家赫芝在進行火花放電實驗時就發現了。他在實驗中注意到， 接受電磁波的電極在受到紫外線照射時， 火花放電就容易發生。很快， 他就弄明白這是因為放電間隙內出現了荷電體。當時還不知道這荷電體就是電子。對光電效應的進一步實驗研究， 發現隻有當光的頻率高於某一定值時， 才能從某一金屬表麵打出電子來； 低於這個頻率的光， 即使加大光強也無濟於事， 不會產生光電效應； 而且， 被打出的電子的能量， 隻和光的頻率有關， 而與光的強度無關； 被打出的電子的數目卻隻同光的強度有關而與光的頻率無關。物理學家對光電效應的表現已研究的比較清楚， 可是對這一現象卻無法從理論上給予解釋。
這個理論上的難題是由20 世紀最偉大的物理學家愛因斯坦解決的。愛因斯坦對物理學理論的最大貢獻是建立了相對論理論， 這是物理學在20 世紀取得的最偉大成就之一。也正是由於相對論的建立， 使世人把愛因斯坦看作是一個最少保守思想、勇於突破舊觀念而提出新思想的物理學家。在對光電效應的理論解釋上， 他又鮮明地表現出他的這一風格。
1900 年， 德國物理學家普朗克在關於黑體輻射的研究中， 提出了量子假說。他的假說認為在輻射過程中， 物體的原子不是連續地放出或吸收能量， 而是每次以確定大小， 陸續地放出或吸收能量。這確定大小的能量總是某一最小單位的整數倍， 這最小單位被稱為量子。每個量子的能量大小取決於輻射的波長， 波長越短， 能量越大， 即量子的能量與波長成反比。我們還知道波長同頻率也成反比， 所以可以得到量子能量與頻率成正比：E= hv式中，E 表示量子能量；v 表示量子頻率；h 是普朗克常數。
普朗克提出了量子概念， 很好地解釋了黑體輻射中溫度與輻射波長的關係。但是， 量子這個思想在當時實在是太新鮮了， 和經典物理學的理論截然不同。這使得當時大多數物理學家感到難以接受， 就連普朗克本人也對他自己提出的新概念“嚇壞”了。普朗克提出量子假說時， 已經42 歲了， 他受過嚴格的經典物理學教育， 所以在他的思想深處不願意作出違背經典物理學理論的假設。而他當初之所以提出與經典物理學不相容的量子假說， 主要是迫於實驗事實而引入的， 他並沒有意識到能量子是客觀實在。後來， 他產生了動搖。
就在這時， 愛因斯坦接受了量子概念， 並運用它成功地解決了光電效應理論解釋上的困難。他認為射向金屬表麵的光， 實際上就是具有能量為E= hv 的粒子流， 並把這種粒子稱為光量子( 後來簡稱為光子) 。如果照射光的頻率過低， 即光子流中每個光子的能量較小， 當它照射到金屬表麵時， 電子吸收了這一光子， 但它所增加的能量仍小於電子脫離金屬表麵所需要的逸出功， 電子就不能脫離開金屬表麵。如果照射光的頻率增高到能使電子吸收光子後， 它的能量足以克服逸出功而脫離金屬表麵， 光電效應得以發生。這時光電子的能量( 21 mv ) 、照射光的能量( hv) 和逸出功( Α) 之間的關係可以表示成： 1hv2 =hv-2 上式即愛因斯坦給出的光電方程。由這個方程也可以看出， 光電效應中產生的光電子的能量取決於照射光的能量( 或頻率)， 而與照射光的強度無關。照射光的強度隻是表明， 當照射光射到金屬表麵上， 它的強度越大， 光量子的數目就越多； 被金屬表麵的電子吸收的可能性也就越大， 產生的光電子數目就可能增多。由於不同的金屬原子對電子的束縛狀況不同， 有的金屬原子對電子的束縛力比較弱， 照射光的波長可以比較長， 也就是它的頻率比較小即可； 而有的金屬原子對電子的束縛力比較強， 照射光的波長就要比較短， 也就是頻率要比較大才行。不同的光子就好比是力氣大小不同的人， 力氣足夠大的人可以推動一輛汽車； 而力氣太小的人，則推不動汽車， 即使他一次又一次地去推， 汽車還是不會動。愛因斯坦對光電效應的解釋是成功的。
愛因斯坦於1905 年提出的對光電效應的理論解釋被稱為光量子論。光量子論的成功， 使量子論的思想得以迅速傳播。愛因斯坦也就是由於這一成就( 而不是因為創立相對論理論) 獲得了1921 年的諾貝爾物理學獎。普朗克最先提出了量子假說， 但他未能對量子理論的發展作出更多的貢獻。這裏主要原因倒不是由於他接受了嚴格的經典物理學訓練， 因為任何新理論產生之前， 人們隻能接受已有理論的訓練。另外， 新理論的提出者都是對舊理論十分熟悉的人， 他們知道舊理論在什麽地方出了毛病， 需要做出什麽樣的修改和變革。當然， 隻有那些既熟悉已有理論又具有創新意識的科學家， 才會做出更大的貢獻。普朗克的思想過於保守， 拘泥於舊的傳統觀念， 限製了他的創造才華。
通過對光電效應的研究， 物理學家認識到光的本性是一種粒子， 即光子。可是， 電磁學理論已確鑿無疑地認定光就是電磁波， 光的本性是一種波動。那麽， 光到底是粒子， 還是波呢？ 愛因斯坦的回答是， 光可以被看作是波動說和微粒說的融合。這是一個非常重要的思想， 它指出對光究竟是粒子還是波這個問題， 不能從經典理論的觀點去看待。在經典理論中， 光要麽是質點粒子， 要麽是像水波一樣的波， 兩者是截然對立的。愛因斯坦則從新的角度， 提出光除了具有已知的波動性以外， 還具有粒子的性質， 這就第一次提出了光的波粒二象性的概念。從光的幹涉、衍射和偏振等現象， 即從光在空間傳播過程中所表現的各種現象來研究光的本性， 光是一種波動， 可以用頻率、波長、位相、振幅等概念來描述。從光電效應等現象， 即光和實物的相互作用中所表現出來的效果來研究光的本性， 光又是一種粒子， 可以用能量動量等概念來描述。波動性表現為一種連續性， 粒子性表現為一種分立性。波動性與粒子性雖然相互對立、相互排斥，但是它可以統一於光這個微觀客體， 也就是說， 光具有雙重性質， 既有波動性又有粒子性。
光的波粒二象性的事實， 很自然地引起了物理學家的一個反問： 本來認為具有波動性的光， 由於量子論而發現了它的粒子性， 那麽像電子這樣的粒子是否也會具有波動性呢？這個反問是十分有意義的。1920 年， 德國物理學家德布羅依就根據這個反問， 把波粒二象性推廣到物質粒子( 特別是電子) 。他認為每個粒子與一定的波動聯係起來， 它的波長( λ) 與粒子動量( P) 的關係是：Ρ= h/ 而且德布羅依還預言了電子束在穿過狹縫或小孔時會像光一樣， 產生衍射現象。1927 年， 物理學家用實驗獲得了電子的衍射圖樣， 完全證實了德布羅依假設的正確性。
一切物質粒子都具有波粒二象性， 這是20 世紀初期物理學上一個嶄新的觀念。由此出發， 物理學家著手建立描述微觀粒子運動規律的理論。1925 ～1926 年， 新的理論誕生，這就是量子力學。它是由奧地利物理學家薛定諤和德國物理學家海森堡獨立地用兩種不同的形式給出的， 即波動力學和矩陣力學。後來， 證明波動力學和矩陣力學兩種形式的理論是一致的， 統稱為量子力學。量子力學成為認識微觀世界的基本理論。
最初， 人們從光的直線傳播出發認為光是由發光體射出來的粒子流。後來， 發現了光的幹涉、衍射、雙折射現象， 又有人提出光是一種波動。這兩種不同的觀點交替地占據主導地位。到19 世紀， 電磁學理論表明， 光的本質就是電磁波。這樣一來， 似乎光的波動本質說占據了上風。
可是， 進入20 世紀以後。這種關於光的本性的認識遇到了新的問題。在湯姆遜發現電子之後， 物理學家注意到了這樣一個現象： 當一定頻率的光照射到金屬表麵時， 會有電子從金屬表麵逸出， 這就是光電效應。其實這一現象早在1887 年， 德國物理學家赫芝在進行火花放電實驗時就發現了。他在實驗中注意到， 接受電磁波的電極在受到紫外線照射時， 火花放電就容易發生。很快， 他就弄明白這是因為放電間隙內出現了荷電體。當時還不知道這荷電體就是電子。對光電效應的進一步實驗研究， 發現隻有當光的頻率高於某一定值時， 才能從某一金屬表麵打出電子來； 低於這個頻率的光， 即使加大光強也無濟於事， 不會產生光電效應； 而且， 被打出的電子的能量， 隻和光的頻率有關， 而與光的強度無關； 被打出的電子的數目卻隻同光的強度有關而與光的頻率無關。物理學家對光電效應的表現已研究的比較清楚， 可是對這一現象卻無法從理論上給予解釋。
這個理論上的難題是由20 世紀最偉大的物理學家愛因斯坦解決的。愛因斯坦對物理學理論的最大貢獻是建立了相對論理論， 這是物理學在20 世紀取得的最偉大成就之一。也正是由於相對論的建立， 使世人把愛因斯坦看作是一個最少保守思想、勇於突破舊觀念而提出新思想的物理學家。在對光電效應的理論解釋上， 他又鮮明地表現出他的這一風格。
1900 年， 德國物理學家普朗克在關於黑體輻射的研究中， 提出了量子假說。他的假說認為在輻射過程中， 物體的原子不是連續地放出或吸收能量， 而是每次以確定大小， 陸續地放出或吸收能量。這確定大小的能量總是某一最小單位的整數倍， 這最小單位被稱為量子。每個量子的能量大小取決於輻射的波長， 波長越短， 能量越大， 即量子的能量與波長成反比。我們還知道波長同頻率也成反比， 所以可以得到量子能量與頻率成正比：E= hv式中，E 表示量子能量；v 表示量子頻率；h 是普朗克常數。
普朗克提出了量子概念， 很好地解釋了黑體輻射中溫度與輻射波長的關係。但是， 量子這個思想在當時實在是太新鮮了， 和經典物理學的理論截然不同。這使得當時大多數物理學家感到難以接受， 就連普朗克本人也對他自己提出的新概念“嚇壞”了。普朗克提出量子假說時， 已經42 歲了， 他受過嚴格的經典物理學教育， 所以在他的思想深處不願意作出違背經典物理學理論的假設。而他當初之所以提出與經典物理學不相容的量子假說， 主要是迫於實驗事實而引入的， 他並沒有意識到能量子是客觀實在。後來， 他產生了動搖。
就在這時， 愛因斯坦接受了量子概念， 並運用它成功地解決了光電效應理論解釋上的困難。他認為射向金屬表麵的光， 實際上就是具有能量為E= hv 的粒子流， 並把這種粒子稱為光量子( 後來簡稱為光子) 。如果照射光的頻率過低， 即光子流中每個光子的能量較小， 當它照射到金屬表麵時， 電子吸收了這一光子， 但它所增加的能量仍小於電子脫離金屬表麵所需要的逸出功， 電子就不能脫離開金屬表麵。如果照射光的頻率增高到能使電子吸收光子後， 它的能量足以克服逸出功而脫離金屬表麵， 光電效應得以發生。這時光電子的能量( 21 mv ) 、照射光的能量( hv) 和逸出功( Α) 之間的關係可以表示成： 1hv2 =hv-2 上式即愛因斯坦給出的光電方程。由這個方程也可以看出， 光電效應中產生的光電子的能量取決於照射光的能量( 或頻率)， 而與照射光的強度無關。照射光的強度隻是表明， 當照射光射到金屬表麵上， 它的強度越大， 光量子的數目就越多； 被金屬表麵的電子吸收的可能性也就越大， 產生的光電子數目就可能增多。由於不同的金屬原子對電子的束縛狀況不同， 有的金屬原子對電子的束縛力比較弱， 照射光的波長可以比較長， 也就是它的頻率比較小即可； 而有的金屬原子對電子的束縛力比較強， 照射光的波長就要比較短， 也就是頻率要比較大才行。不同的光子就好比是力氣大小不同的人， 力氣足夠大的人可以推動一輛汽車； 而力氣太小的人，則推不動汽車， 即使他一次又一次地去推， 汽車還是不會動。愛因斯坦對光電效應的解釋是成功的。
愛因斯坦於1905 年提出的對光電效應的理論解釋被稱為光量子論。光量子論的成功， 使量子論的思想得以迅速傳播。愛因斯坦也就是由於這一成就( 而不是因為創立相對論理論) 獲得了1921 年的諾貝爾物理學獎。普朗克最先提出了量子假說， 但他未能對量子理論的發展作出更多的貢獻。這裏主要原因倒不是由於他接受了嚴格的經典物理學訓練， 因為任何新理論產生之前， 人們隻能接受已有理論的訓練。另外， 新理論的提出者都是對舊理論十分熟悉的人， 他們知道舊理論在什麽地方出了毛病， 需要做出什麽樣的修改和變革。當然， 隻有那些既熟悉已有理論又具有創新意識的科學家， 才會做出更大的貢獻。普朗克的思想過於保守， 拘泥於舊的傳統觀念， 限製了他的創造才華。
通過對光電效應的研究， 物理學家認識到光的本性是一種粒子， 即光子。可是， 電磁學理論已確鑿無疑地認定光就是電磁波， 光的本性是一種波動。那麽， 光到底是粒子， 還是波呢？ 愛因斯坦的回答是， 光可以被看作是波動說和微粒說的融合。這是一個非常重要的思想， 它指出對光究竟是粒子還是波這個問題， 不能從經典理論的觀點去看待。在經典理論中， 光要麽是質點粒子， 要麽是像水波一樣的波， 兩者是截然對立的。愛因斯坦則從新的角度， 提出光除了具有已知的波動性以外， 還具有粒子的性質， 這就第一次提出了光的波粒二象性的概念。從光的幹涉、衍射和偏振等現象， 即從光在空間傳播過程中所表現的各種現象來研究光的本性， 光是一種波動， 可以用頻率、波長、位相、振幅等概念來描述。從光電效應等現象， 即光和實物的相互作用中所表現出來的效果來研究光的本性， 光又是一種粒子， 可以用能量動量等概念來描述。波動性表現為一種連續性， 粒子性表現為一種分立性。波動性與粒子性雖然相互對立、相互排斥，但是它可以統一於光這個微觀客體， 也就是說， 光具有雙重性質， 既有波動性又有粒子性。
光的波粒二象性的事實， 很自然地引起了物理學家的一個反問： 本來認為具有波動性的光， 由於量子論而發現了它的粒子性， 那麽像電子這樣的粒子是否也會具有波動性呢？這個反問是十分有意義的。1920 年， 德國物理學家德布羅依就根據這個反問， 把波粒二象性推廣到物質粒子( 特別是電子) 。他認為每個粒子與一定的波動聯係起來， 它的波長( λ) 與粒子動量( P) 的關係是：Ρ= h/ 而且德布羅依還預言了電子束在穿過狹縫或小孔時會像光一樣， 產生衍射現象。1927 年， 物理學家用實驗獲得了電子的衍射圖樣， 完全證實了德布羅依假設的正確性。
一切物質粒子都具有波粒二象性， 這是20 世紀初期物理學上一個嶄新的觀念。由此出發， 物理學家著手建立描述微觀粒子運動規律的理論。1925 ～1926 年， 新的理論誕生，這就是量子力學。它是由奧地利物理學家薛定諤和德國物理學家海森堡獨立地用兩種不同的形式給出的， 即波動力學和矩陣力學。後來， 證明波動力學和矩陣力學兩種形式的理論是一致的， 統稱為量子力學。量子力學成為認識微觀世界的基本理論。
