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波粒二象性与德布罗意波

光的本质究竟是什么?

关于光的本质,科学家们一直争论不休,其中有一部分的科学家认为光具有波动性,而另一部分科学家们认为光具有粒子性。其实他们各有各的道理,而现在我们知道光既具有波动性,也具有粒子性所以称其为波粒二象性。

波粒二象性

光的波动性

早在1660年,就有人对光的波动性提出了自己的观点,这个人就是胡克(Robert Hooke,1635年7月18日-1703年3月3日)他是英国著名的物理学家,在光学和力学等方面都有非常杰出的贡献,在他的波动理论中认为光线在发光以太中以波的形式进行传播,而且它并不会受到重力的影响。到了后来,又一位神人出现,这个人就是托马斯·杨(Thomas Young,1773年-1829年 ) 英国物理学家,不过他在其他领域方面也颇有成就。1880年,他通过双缝干涉实验证实了光具有波动性,这个实验方法在如今被称为杨氏双缝干涉。我们可以想象一下,在一块金属板上,开出两条等长等宽的条缝,然后在金属板的后方加上了一块光屏,这时用一块点光源照向金属板,这时在光屏上就会产生一道道的波纹,产生的两列波同相时互相增强出现亮条纹,反相时互相减弱,出现暗条纹。我们平常生活中也可以这么试一试,当家中的电灯打开发光时,眯起眼睛看它这时眼睛就会产生一条条的类似缝隙的细线,这其实也是双缝干涉的原理,通过双缝干涉我们能够计算出光的波长,双缝干涉实验证明了光具有波动性这一观点,也证实了胡克的波动理论。除了双缝干涉,光的衍射也同样能说明光具有波动性,同样在一块金属板上,有一个小孔,将光照在金属板上,这时穿过小孔会出现明纹和暗纹的类似波状形态。此外光的偏振也能证明光的波动性,简单介绍一下偏振,光的振动方向与传播方向的不对称性叫做光的偏振,在我们的日常生活中,3D电影就是一个很好的偏振的例子,在拍摄3D电影时,都会在镜头的前面加装偏振器,而我们在不戴3D眼镜时,看到的电影就是模糊的,戴上眼镜我们就类似于给我们的眼球装上了偏振器。干涉 衍射 等这些都是光具有波动性的证明(以上的实验都是进行的简单描述,在以后的文章中还会详细描述)

光的衍射

光的粒子性

其实早在一开始,我们的力学大神牛顿所持有的观点就是光具有粒子性,因为他通过光的折射等一些实验所证明出的,因为牛顿当时在物理学界的地位,人们一开始也都认为光是具有粒子性的。但是由于波动学派的理论不断壮大,粒子学派逐渐走下坡路。不过到了1905年粒子学派开始走上了上坡路。1900年,量子力学的创立者普朗克提出量子论,提出了能量量子化这个概念(因此获得1918年的诺贝尔物理学奖)他认为在黑体辐射中能量不是连续,可以将其看做是一份一份的(这也可以看作是量子的简单描述)由此他总结出了一个公式E=hv(这里v指的是频率读作niu)而爱因斯坦根据普朗克的理论,认为光束也可以看作是量子,当光束以某一特定能量照在某物质上时,光子能够将其电子激发出来从而形成电流,这就是著名的光电效应,但是要将电子激发出必须满足相应的条件,光子的能量被电子吸收,只有电子在吸收能量之后可以完全摆脱原子核的束缚时,电子才会从物质当中逸出,形成电流。光电效应方程E=hv-w0(其中w0表示的是逸出功)光电效应方程大大说明了光具粒子性的特点,因为它具有一定的动能,而动能便是粒子性最大的特点,后来美国物理学家密里根通过光电效应实验得到了最大动能与频率所产生的关系线,从而证实了爱因斯坦的方程成立,并且可以通过此方程反求出普朗克常量,因此爱因斯坦获得了1923年的诺贝尔物理学奖。同样康普顿效应也能够证明光具有粒子性,当入射光的光子与物质中的电子发生碰撞,它既能满足能量守恒又能满足动量守恒,光子的能量传给电子,从而引起光子的能量减少,频率减少,波长变长。

光电效应

波粒二象性

我们知道动量的公式:p=mc(其中c代表光速)而爱因斯坦此生最著名的质能方程:E=mc^2 光子的能量:E=hv,结合一下hv=mc^2(c=λv)就可以得出m=hv/c^2再结合刚才的动能公式就可以得出一个很重要的公式:p=h/λ(h表示普朗克常量 λ表示波长),从这个公式已经不难看出了普朗克常量是连接波动性与粒子性的桥梁,以光为例,光既具有粒子性也具有波动性,从式子上看当波长特别大时,动量就特别小,表现为波动性,反之则表现为粒子性,所以这就叫做波粒二象性.

波粒二象性

德布罗意波

意大利物理学家德布罗意在1927年提出物质波这个概念,也叫做德布罗意波,他认为任何一个运动的物体都会有一定的波长与之相伴,它的波长公式就是上面公式的变形.德布罗意波指的是物质在空间中所出现的概率的密度,它被波长所进行支配。

物质波

微小的世界同样非常的每秒,相信随着科学技术的不断发展,展现在我们面前的量子领域又会是一番不一样的风采。

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