光的物理本质的讨论.docx

1、光的物理本质的讨论 光的物理本质的讨论内蒙古科技大学本科毕业论文题 目：光 的 物 理 本 质 的 讨 论学生姓名： 学 院：物理科学与技术学院专 业： 应用物理 班 级： 08 指导教师： 教授 二 一二 年 五 月摘 要从光学发展历史的角度讨论光的本质在历史研究中取得的成果，探究研究方法及理论的发展与进步。从波粒二象性的角度讨论光的本质，在历代光的本质研究中发现科学研究所需的精神品质关键词 : 光学；研究方法；本质；波粒二象性；AbstractFrom the optical development history is discussed from the perspective of

2、the nature of light in historical research achievements, research method and theoretical development and progress. From wave-particle two like sex is discussed from the perspective of the nature of light, in the history of the nature of light is found in the research of scientific research required

3、mental qualityKey word : optical; research methods; nature two; wave-particle duality;目 录0引言（绪论） 51光学研究概述51.1光的本性早期研究 51.2对光的认识的深化 62光的波粒二象性62.1光的波粒二象性简介 62.2光的波动说与微粒说之争 笛卡儿提出的两点假说62.3格里马第发现了光的衍射现象 62.4胡克提出了“光是以太的一种纵向波” 72.5牛顿用微粒说阐述了光的颜色理论 72.6惠更斯提出了波动学说比较完整的理论 72.7牛顿的微粒学说逐步的建立起来 82.8光的偏振现象和偏振定律的发现

4、92.9菲涅耳与阿拉戈建立了光波的横向传播理论102.10新的波动学说牢固的建立起来 102.11爱因斯坦因光的波粒二象性获诺贝尔物理学奖 112.12以光的波粒二象性告终 113光的波粒二象性的困惑 113.1波粒二象性的困惑之一:光子静质量问题 113.2波粒二象性的困惑之二:光子动质量问题 123.3波粒二象性的困惑之三:光子的内部结构和体积 143.4波粒二象性的困惑之四:关于光的本性 153.5波粒二象困惑之五:关于de B roglie 波的超光速相速的意义 163.6波粒二象性困惑之六:如何看待电磁脉冲及其超光速实验现象 163.7波粒二象性的困惑之七:关于消失波的粒子性 183

5、.8波粒二象性的困惑之八:关于虚光子 194对光本质认识不断深入的启示（结束语）20结论 21注释 21参考文献 22附录 22致谢 230引言（绪 论）回顾光学发展的历程 ,不同时代对光本质的认识都有它的时代局限性。对于光的物理本质这一课题的研究一直处于发展中，也陷入激励的讨论。关于这一课题的研究，历史上分为两个时期一、 前几何光学时代二、 波粒二象性时代、爱因斯坦光量子说时代本文旨在总结前人的理论依据和实验事实，讨论光的物理本质，并在其中探讨科学研究所必需的品质和思想。1光学研究概述自从几百年前自然科学在欧洲诞生之后 ,对于“ 光到底是什么 ”(亦即光的本性 )的问题就引起科学家们的关注和

6、思考。这个过程自然伴随了激烈的争论、对立甚至争吵却也无可争议的推动了科学的发展，留下了科学史上一段佳话。1.1光的本性早期研究1672年Newton叙述了他所做的实验 ,用三角形玻璃棱镜把日光分开为不同折射角的光就得到了 7 色光谱。在同一时期牛顿又用光的微粒性假说解释光在界面上的反射。1690年 C1Huygens提出“ 光是一种波动 ” 的理论 ,其中包含了“子波 ” 、 “波前 ” 等概念。1802年 ,T1Young做了光的双缝干涉实验 ,对“光是波动 ” 提供了实验证明。1818年 A1J1Fresnel计算了狭缝、圆孔、 圆板等障碍物造成的衍射花样 ,与实验相符;Fresnel被认

7、为发展了 Huygens原理。至此 ,多数物理学家相信光的波动说。1865年 J1C1Maxwell提出光是一种“ 按电磁规律通过场传播的电磁扰动 ” ,即电磁波; 1887年 , H1Hertz以实验发现了电磁波。光的波动说的发展暂告一个段落 ,整个过程经历了大约 200年。然后 ,突出的大事是光子的发现。19世纪末期P1Lenard等发现光电效应;但用 Maxwell电磁理论却无法解释;因此在 1905年 A1Einstein假定光能量是量子化的 ,即由“能量子 ” 组成。用光量子假设,A1Einstein解释了光电效应 ,导出了光电方程。总之, Einstein是根据光说“ 波有粒子性”

8、 ,粒子的能量、动量可由波的参数 (频率和波长 )决定:E = hf (1)、 p=h/ (2) 19051914年 R1Millikan以长期实验证实了光电方程的正确性。1921年和 1923年, Einstein和 Millikan分别获 Nobel物理奖。1924年,A1H1Comp t on和吴有训测到了 X射线被石墨散射时波长变长的现象。在解释时考虑了光子的动量,当光子碰撞电子时是可以计算 X光被散射时产生次级 X光波长的变化,计算与实测一致。至此,光子假说得到进一步的证明,Compton获 1927年 Nobel物理奖。到 1924年为止 ,“光是波动 ” 一说并未被谁否定掉 ,与

9、此同时又确立了“ 光由许多光子组成 ” 。这样 ,就出现了复杂的情况。1.2、对光的认识的深化在 19世纪与 20世纪之交 ,科学家们对光的能量、 光带来的力作用等发生兴趣。J1C1Maxwell认为当光束落到物体表面时后者将受力; 1873年他导出一个公式 ,以计算单位体积的总辐射能 ,即压强:p =EV(1 +) (4)式中 E是体积 V中包含的总辐射能。这个压强非常小 ,可以证明 ,太阳辐射在每平方米绝黑平面上的力为 0145 10- 5N。2、光的波粒二象性光一直被认为是最小的物质，虽然它是个最特殊的物质，但可以说探索光的本性也就等于探索物质的本性。历史上，整个物理学正是围绕着物质究竟

10、是波还是粒子而展开的。 2.1、光的波粒二象性简介光学的任务是研究光的本性，光的辐射、传播和接收的规律；光和其他物质的相互作用（如物质对光的吸收、散射、光的机械作用和光的热、电、化学、生理效应等）以及光学在科学技术等方面的应用。先熟悉一下有关光的基本知识。 光的波粒二象性简单说就是光既具有波动特性，又具有粒子特性。 2.2、光的波动说与微粒说之争 笛卡儿提出的两点假说 在人们对物理光学的研究过程中，光的本性问题和光的颜色问题成为焦点。关于光的本性问题，笛卡儿在他方法论的三个附录之一折光学中提出了两种假说。一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然

11、笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用，但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。2.3格里马第发现了光的衍射现象十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。 格里马第设计了一个实验：让一束光穿过一个小孔，让这束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上。他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了。格里马第进行了进一步的实验，他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。他认为这种现象与水波十分相像，从而得出结论：光是一种能够作波浪

12、式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者。波义耳提出了物体的颜色光照射在物体上产生的效果。1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础。 2.4胡克提出了“光是以太的一种纵向波”不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。 2.5牛顿用微粒说阐述了光的

13、颜色理论然而1672年，伟大的牛顿在他的论文关于光和色的新理论中谈到了他所作的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。 1672年2月6日，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文关于光和色的新理论基本上持以否定的态度。牛顿开始并没有完全否定波动说，也不是微粒说偏执的支持者。但在争论展开以后，牛顿在很多论文中

14、对胡克的波动说进行了反驳。由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。但科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个水落石出。 2.6惠更斯提出了波动学说比较完整的理论波动说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学等领域做出了重要贡献，并系统的对几何光学进行过研究。1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始了对物理光学的研究。在他担任院士期间，惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿。二人彼此十分欣赏，而且交流了对光的本性的看法，但此时惠更斯的观点更倾向于波动说，因此他和牛顿之间产生了

15、分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后，惠更斯重复了牛顿的光学试验。他仔细的研究了牛顿的光学试验和格里马第实验，认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此，他提出了波动学说比较完整的理论。 惠更斯认为，光是一种机械波；光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。如果说这些理论不易理解，惠更斯又举出了一个生活中的例子来反驳微粒说。如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞，这样一定

16、会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。 2.7牛顿的微粒学说逐步的建立起来就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作光学。基于各类实验，在光学一书中，牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子；第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释其原因。另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾。 为不与胡克再次发生争执，胡克去世后的第二年（1704年）光学才正式公开发行。但此时的惠更斯与胡克已

17、相继去世，波动说一方无人应战。而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献，成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高，人们对他的理论顶礼膜拜，重复他的实验，并坚信与他相同的结论。整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。托马斯杨提出了光的干涉的概念和光的干涉定律十八世纪末，在德国自然哲学思潮的影响下，人们的思想逐渐解放。英国著名物理学家托马斯杨开始对牛顿的光学理论产生了怀疑。根据一些实验事实，杨氏于1800年写成了论文关于光和声的实验和问题。在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为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传播的弹性振动，并指出光

18、是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。同年，杨氏在英国皇家学会的哲学会刊上发表论文，分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。 1803年，杨氏写成了论文物理光学的实验和计算。他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫

19、无价值的”。 虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。 2.8光的偏振现象和偏振定律的发现1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。 1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。 1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。 光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒

20、说的方向发展。 面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。杨氏把他的新看法写信告诉了牛顿派的阿拉戈。 2.9菲涅耳与阿拉戈建立了光波的横向传播理论1817年，巴黎科学院悬赏征求关于光的干涉的最佳论文。土木工程师菲涅耳也卷入了波动说与微粒说之间的纷争。在1815年菲涅耳就试图复兴惠更斯的波动说，但他与杨氏没有联系，当时还不知道杨氏关于衍射的论文，他在自己的论文中提出是各种波的互相干涉使合成波具有显著的强度。事实上他的理论与杨氏的理论正好

21、相反。后来阿拉戈告诉了他杨氏新提出的关于光是一种横波的理论，从此菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间之后，转向了波动说。1819年底，在非涅耳对光的传播方向进行定性实验之后，他与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论。 2.10新的波动学说牢固的建立起来1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。 至此，新的波动学说牢固的建立起来了。微

22、粒说开始转向劣势。 随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来。一些著名的科学家成为了以太说的代表人物。但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出，以太成为了十九世纪的众焦点之一。 菲涅耳在研究以太时发现的问题是，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体，它又怎么能不干扰天体的自由运转呢。不久以后泊松也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾。 为了解决各种问题，1839年柯西提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质。他试图以此解决泊松提出的困难。1845年，斯托克斯以石蜡

23、、沥青和胶质进行类比，试图说明有些物质既硬得可以传播横向振动又可以压缩和延展因此不会影响天体运动。 1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷以“以太漂流”实验否定了以太的存在。但此后仍不乏科学家坚持对以太的研究。甚至在法拉第的光的电磁说、麦克斯韦的光的电磁说提出以后，还有许多科学家潜心致力于对以太的研究。 十九世纪中后期，在光的波动说与微粒说的论战中，波动说已经取得了决定性胜利。但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难，却预示了波动说所面临的危机。 2.11爱因斯坦因光的波粒二象性获诺贝尔物理学奖1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！ 二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出

24、了光的量子学说。 1905年3月，爱因斯坦在德国物理年报上发表了题为关于光的产生和转化的一个推测性观点的论文他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。 1921年，爱因斯坦因为光的波粒二象性这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。 1921年，康普顿在试验中证明了X射线的粒子性。1927年，杰默尔和后来的乔治汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。 2.12以光的波粒二象性告终在新的事实与理论面前，光的波动说与

25、微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。 即：光既是一种波也是一种粒子！ 光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。3、光的波粒二象性的困惑3.1、波粒二象性的困惑之一:光子静质量问题在对波粒二象性理论的发展和成就作阐述之后, 我们将用较多篇幅讨论迄今为止的光理论所存在的矛盾和不自 的方面, 并预测在21 世纪中要研究的课题。 在众多的基本粒子之中,以光速c 运行的粒子主要有

26、两种: 1905 年由A 1Ein stein 提出的光子 (pho ton) , 和在30 年代由W 1Pauli和E1Fermi预言、1956 年由C1 L 1Cohen 和F1Reines 发现的中微子 (neutrino)。它们都是不带电荷的中性粒子, 前者是根据狭义相对论判定光子无静质量, 后者则按照电弱统一理论判定中微子的静止质量为零。然而, 1997 1998 年在日本的多国科学家的联合实验,已经肯定中微子有静质量, 其值约为10- 33g。这样一来, 光子是否有静质量的问题再次摆在了人们面前。图1 是基本粒子族的静质量m 0 的情况的扼要的归纳和总结。狭义相对论提出“光子静质量

27、为零”的论断, 专家认为是“勉强的” ; 做这种推论, 也证明相对论对光与实物的处理是不对等的。实际上, 关于光子静质量的研究, 在整个20 世纪从未停止过。 不仅如此, 对光子静质量的研究导致理论上的重要思考,30 年代初, 提出了“重电磁场理论” 。在m 00 的条件下, 保持Lorentz不变性成立, 放弃相角规范 (亦称U 1规范) 不变性, 导出所谓重电磁场方程组, 也叫Proca 方程组。正如大家所知, Maxwell方程组由4 个偏微分方程组成; 现在, 有两个方程没有变化 ( H= 0, E= - L5 H 5t)。而在另外两个方程 (关于 E 和H) 中, 等式右方多了一个与

28、m 0 有关的项。显然, 若m 0= 0, Proca 方程组即化简为M axw ell 方程组。或者说, P roca 方程组是Maxwell方程组的推广。根据 Proca 重光子理论设计了图1基本粒子的静质量许多实验来测量m 0, 在这些设计者当 中 包 括 L 1de Broglie 和E1Schrob dinger。de Broglie 在 1940年出版了 光子的波动力学 一书, 其中提出了利用双星观测是确定光子静质量的方法; 另外, 1943 年E1Schrob dinger 提出用静磁场方法确定光子的静质量。 这就说明, 无论de Broglie 还是Schrob dinger

29、都不曾在20 年代的自己取得的成就上停顿, 亦不受Einstein 光子概念的束缚; 而是继续思考, 以便更清楚地了解和认识光子。3.2、波粒二象性的困惑之二:光子动质量问题既然Lebedev 光压实验、Compton- 吴有训光子电子碰撞实验均证明了光子的实在性和物质性, 人们自然会提出光子的质量与体积是多少 (即多重、多大) 的问题。令人遗憾的是,在这两方面现在我们都面临困难, 十分棘手。科学界早已接受光是由快速运动的粒子 (光子, pho ton) 所组成, 它们是一些能量集中在有限区域的能量包; 根据M1Planck 的量子理论和Ein stein 自己提出的质能关系式, 对光子而言有

30、hf = m c2式中m 是光子质量, 而c 是光速; 故有m =hfc2 (9)这是光子的运动质量, 它取决于频率的大小。在传播方向上的动量为p = m c =hfc(10)这种能量、动量的图象使光子完全形象地粒子化了。上述能量、动量观点被Ein stein 所坚持,由Comp ton 效应所证实。 但是,A 1Ein stein 在相当长的时期内不能解释光波干涉之类现象。 这种状况直到“波粒二象性”观念被普遍接受后才告结束。( 9) 式给出了光子的动质量, 它与光频f 成正比。由于c 很大, 故除非f 很大, 否则m 很小。表2 是计算所得结果。可见, 在从无线电波到X 射线的广大波段, 光子质量都比电子质量小 (电子静质量m 0= 9110953410- 28g)。笔