我认为是光子,大家以为?
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光有波粒二象性18世纪中叶,牛顿认为,光是由很小的物质微粒组成,从发光体发出,犹如一群飞行的子弹,从而建立了光的微粒说。19世纪中叶,波更斯和菲涅尔等人通过对光的反射、折射、干涉和衍射的广泛研究,认定光是一种波。之后,麦克斯韦提出了电磁波的理论,认为光本身就是一定波长范围的电磁波。 光就是电磁波,光的量子性,确切地讲应该是电磁场的量子性,这就是量子力学研究的范畴。 德国人普朗克在1900年提出量子假说,并于1906年建立经典量子论的理论基础,即能量只能取某一基本量(即能量子或作用量子)的整倍数,这一作用量子也称普朗克常数(h),是微观世界的基本标志。量子论的诞生使物理学进入了一个新的时代,普朗克因此于1918年获奖。 德裔美国人爱因斯坦1905年进一步确认和发展了普朗克“能量子”的观念,并提出了“光量子说”:光是由一个个能量单体量子组成,这种光量子除了有波的性状之外,还有粒子的发现,从而圆满地解释了光电效应。鉴于这个发现,爱因斯坦荣获了1921年诺贝尔奖。同时,他发展了量子理论,创立了相对论。量子论与相对论一起,导致了20世纪初的物理学大革命。 丹麦人玻尔是经典量子论和现代量子论的创立者之一,1913年把量子化的概念引进原子结构理论,即把爱因斯坦和普朗克的量子论与核式原子概念结合起来,从而解释了原子发射的光谱,荣获1922年诺贝尔奖。此后,他提出电子的波动模型与它的粒子性是互补的,使量子力学的发展由经典量子论进入现代量子论的阶段。 美国人康普顿1922年通过光与电子的散射实验,观测到了光在散射过程中显示出的粒子性,从而证明光是由具有特定频率的能量子——光子组成;1923年发现并解释了X射线与电子撞击时波长的变化,从根本上证明了光不仅是电磁波,也是具有能量动量的粒子,为量子论提供了有力的证据。这个被称为“康普顿效应”的发现获1927年诺贝尔奖。1924年玻色进一步提出,光子是质量为零、自旋量子数为1的粒子。 20世纪初由于光的波动性和光的粒子性都是由可靠的实验所证明,使科学家们“光同时具有粒子性和波动性”的观念得以确立:光既不是像子弹一样经典理论中的质量粒子,也不是像水波一样的经典理论中的波。这就是自然界所表现出来的特征,称为光的波粒二象性。
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二者兼有。光子是物质,光波是能量,光本身具有二者的共同属性。
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波
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光的波粒二象性 光的干涉、衍射和偏振等现象无可争辩地表明光具有波动性,而光电效应又无可争辩地表明光是具有能量E=hv的光子流,也就是说光具有粒子性.这样,已经退出历史舞台的光的微粒说,在二十世纪初又以新的形式被重新提了出来。当然人们现在对光的粒子性的认识比起十七世纪牛顿提出微粒说时已经不大相同.人类对光的本性的认识经过曲折的发展过程已经越来越深入了.现在,人们认识到,光既具有波动性,又具有粒子性,也就是说,光具有波粒二象性.十七世纪的微粒说和波动说是互相对立的两种学说,都企图用一种观点去说明光的本性,这是受了传统观念的影响.传统观念是我们在观察周围世界的宏观现象中形成的,波动性和粒子性在宏观现象中是互相对立的、矛盾的,没有任何宏观物体既有波动性、又有粒子性.对于宏观物体来说,波粒二象性是不可想象的.但是,对于光子这样的微观粒子,却只有从波粒二象性出发,才能说明它的各种行为。实际上,光子说并没有否定光的电磁说,光子的能量E=hv,其中的频率v表示的仍是波的特征.此外,从光子说和电磁说还往往得到一致的结论.例如,光子说和电磁说都可以推导出光具有动量,并且为实验所证实.光子说的结论是光子的动量P=hv/c ,电磁说的结论是辐射能E具有的动量是p=E/c.由于光子的能量E=hv,所以从这两个学说得到的结论是一致的.由于c=λν,光子的动量也可以写成 P=h/λ ,式中的波长λ表示的也是波的特征.可见,对于宏观物体来说不可想像的波粒二象性,在微观世界却是不可避免地必须予以承认的现实.接受光的波粒二象性,就要求我们既不可把光当成宏观观念中的波,也不可把光当成宏观观念中的粒子.那么,在微观世界中,波和粒子又是怎样统一起来的呢?物理学家做的下述实验可以帮助我们理解这个问题.在光的双缝干涉实验中,在像屏处放上照相底片,并设法减弱光流的强度.由于每个光子的能量hv可以从频率v算出,因此进一步从光流的能量可以算出所含光子的数目.这样就可以使光流减弱到使光子只能一个一个地通过狭缝.实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只出现一些无规则分布的点子,那些点子是光子打在底片上形成的,表现出光的粒子性.这些点子的分布是无规则的,可见光子的运动跟我们在研究宏观现象时假设的质点的运动不同,没有一定的轨道.如果曝光时间足够长,底片上就出现了规则的干涉条纹,就象用强光经短时间曝光后产生的一样.可见,光的波动性是大量光子表现出来的现象.在干涉条纹中,那些光波强度大的地方,也就是光子到达机会多的地方,或者说,是光子到达的几率大的地方;光波强度小的地方,是光子到达的几率小的地方.所以,从这种意义上,可以把光的波动性看做是表明大量光子运动规律的一种几率波.一般说来,大量光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性,让我们稍稍详细地说明一下.无线电波的频率较低,波长较长,这种电磁波的“光子”的能量很低.以频率为1兆赫的无线电波来说,它的“光子”的能量只有4×10-9电子伏.能量这样低,只有非常大量的“光子”才能使接收装置发生反应.较好的接收机大约要每秒收到1010个这样的“光子”才起作用.所以,这部分电磁波的波动性很容易观察到,要观察这部分电磁波的粒子性,觉察个别“光子”的作用,却是非常不容易的.可见光的频率范围大致是4×1014~8×1014赫,这种光子的能量大约是几个电子伏.人造的仪器设备既可以比较容易地探测到大量的这种光子的作用,也可以比较容易地探测到少数这种光子的作用,因此这种电磁波的波、动性和粒子性都能够比较容易地观察到.随着电磁波频率的增大,波长越来越短,波动性就越来越不显著,而粒子性却越来越明显了.伦琴射线的光子的能量大约是几千电子伏,γ射线的光子的能量在几兆电子伏以上.个别γ射线的光子很容易探测出来,而要看到它们的干涉、衍射现象却很困难了.伦琴射线只有用晶体作衍射光栅才能看到衍射图样,因为晶体内粒子间的距离恰好是10-10米左右.至于γ射线,连用晶体作衍射光栅也不行,因为晶体里粒子间的距离,比它的波长大得不可比拟.总之,要理解各种频率的电磁波,我们必须综合运用波动的观点和粒子的观点.而且要注意到,这里的波动并不等同于宏观世界里的机械波,这里的粒子也不等同于宏观世界里的质点。