光学是物理学最古老的分支之一。关于光的本质问题，历史上主要有牛顿的'微粒说'和惠更斯的'波动说'两种观点,到了近代麦克斯韦提出光是一种电磁波，普遍被人们所接受。实际上我们日常生活中指的可见光在极为宽阔的电磁波谱大家族中只占有很小的一部分，其波长范围处在380nm-770nm之间，包含了人眼可辨别的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，电磁波的长波方向是波长范围在微米量级至几十千米的红外线、微波及无线电波区域；它的短波端是紫外线、x射线、γ射线，其中γ射线的波长已小到可与原子直径相比拟。量子力学理论认为光是一种物质波，具有'波粒二象性'――既有波动性也有粒子性，光子能量越大粒子性越明显波动性越不明显，光子能量越小波动性越明显粒子性越不明显。在整个电磁波谱中，无线电波光子的能量＜微波光子的能量＜红外线光子的能量＜可见光光子的能量＜紫外线光子的能量＜X射线光子的能量＜γ射线光子的能量。
量子力学和相对论建立后的近百年时间里物理学都没有取得突破性的进展，根本原因在于当代物理学的发展遇到了无法解决的瓶颈，深入认识光的本质就是打破当代物理学发展瓶颈、全面推进当代物理学进入后量子力学时代的关键点之一。事实上光的物质波理论（ '波粒二象性'）无法解释一些常见物理现象，这里举几个最简单最常见的例子：一是光的穿透性问题，二是光与热现象问题，三是光电效应问题，四是光在介质中的传播速度问题。
（一）光的物质波理论无法解释的问题。一是光的穿透性问题。我们都有这样的生活经验，收音机在钢筋水泥的房子中可以收到无线电波信号。有人用波动性解释这个现象，认为无线电波是一种电磁波，遇到障碍物能够绕过障碍物发生衍射现象从而传播到室内，这个现象充分反映了无线电波信号的波动性本质（能够绕过障碍物）。我们把实验条件改变一下，用几厘米厚的木板做一个完全封闭的木头盒子，放在木头盒子中的收音机照样能够接收到无线电波信号，用无线电波绕过障碍物发生衍射现象解释不了这一点，因为如果无线电波发生衍射必将绕过障碍物（木头盒子）而不会进入木头盒子中，而在完全封闭木头盒子中的收音机能够接收到无线电波信号，说明无线电波信号能够穿透几厘米厚的木板进入木头盒子内部。无线电波是怎样穿透几厘米厚的木板进入木头盒子内部呢？有人认为应该用无线电波的粒子性特点来解释：无线电波的能量足够大足以穿透几厘米厚的木板。如果认为这种观点是正确的，那么可见光光子的能量大于无线电波光子的能量，可见光应该更加容易穿透几厘米厚的木板，但实际上可见光并不能够穿透几厘米厚的木板，有人认为这是因为可见光在木板表面发生了反射，所以不能够穿透木板，这是一个简单的物理现象。但是当光子的能量继续增大时，X射线又能够穿透木板，可见，现代物理学理论无论用波动性还是粒子性都解释不了这个现象。根据现代物理学理论，因为无线电波光子的能量小于可见光光子的能量小于X射线光子的能量，所以无线电波光子的穿透能力应该小于可见光光子的穿透能力，而可见光光子的穿透能力小于X射线光子的穿透能力，所以面对同样厚的木板，如果无线电波能够穿透木板则可见光更加能够穿透，X射线也同样能够穿透，但实际上并不是这样，充分表明无线电波能够穿透几厘米厚的木板并不是由于无线电波光子的能量足够大，必然还有我们不知道的原因。再比如大洋深处的核潜艇利用长波与外界通信，而可见光、X射线对透明的水的穿透能力都小于无线电波，无线电波光子的能量远远小于可见光和X射线，但无线电波光子对水的穿透能力却远远比可见光和X射线强，这一点无论用波动性还是粒子性都不能圆满解释。
二是光与热现象问题。现代物理学认为，热现象是大量分子作无规则运动的结果，温度越高分子的平均运动速率越大、温度越低分子的平均运动速率越小。而电磁波是有能量的，无线电波光子的能量最小，γ射线光子的能量最大，照此推理，当不同能量的电磁波照射在物体上时，γ射线使物体温度上升得最快、无线电波使物体温度上升得最慢。实际上：在可见光波段中，红光的热效应最显著而紫光的热效应最不明显；在整个无线电波区域，红外线的热效应又比可见光强。这也说明电磁波（光子）能量的大小并不是决定其热效应显著与否的决定因素，也反映出我们目前的理论存在缺陷。
三是光电效应问题。在光电效应中，每一种金属都有特定的红限频率，低于这个频率（能量）的光子并不能够使金属电离产生光电效应。现代物理学一般用光的粒子性解释光电效应问题，认为光的频率越低则能量越小，光的频率越高则能量越大，比如可见光的能量就小于X射线的能量；而光电效应中主要是原子外层电子吸收了光子的能量后脱离原子核的束缚形成了自由电子，从而形成了电流。按照这种观点，小于某一能量的光子不能够形成光电效应，而光子能量越大则越容易形成光电效应。事实上也正是如此，比如红外线、无线电波无论强度多大都不会产生光电效应。但是在光子的能量极大时，这个推理似乎又不成立了。比如，按照光子能量越大越容易形成光电效应的推论，X射线、γ射线应该非常容易形成光电效应，而实际上能量极高的X射线、γ射线光子基本不会电离原子中的外层电子形成光电效应，能量极高的X射线只会与原子中的内层电子作用，爱因斯坦的光子假说并不能圆满解释这一点。光电效应的实验表明并不是能量越高的光子越容易产生光电效应，说明光电效应的产生光子并不是唯一决定因素，也反映我们现有的理论还不完善。
四是光在介质中的速度问题。光可以从真空中射向介质，也可以从介质中射向真空，实验表明光在介质中的传播速度小于真空中的传播速度，不同颜色的光在同一介质中的传播速度也是不相同的。如何解释光在介质中的传播速度小于真空中的传播速度呢？实际上这个问题的难点在于假设一束光在介质中以0.8C传播，当光从介质中进入真空则光速度会突然增大到C，传统微粒理论无法解释光子从介质到真空中速度突然增大的原因，因为没有任何力的作用使光子突然加速，自然也就无法解释光子在进入介质－真空－介质过程中速度反复变化的现象，实际上这是我们对光子内部结构及光子与原子中电子的作用过程不了解造成的，光在介质中的传播速度与真空中的传播速度是相同的。物质波理论无法解释不同颜色的光在同一介质中的传播速度是不相同的。
否定物质波理论最直接证据就是电子双缝干涉实验光子和延迟选择实验，尽管一些人提出很多奇思妙想，为物理波理论打了很多补丁，但始终无法得到主流物理学家的认可，这就为我们重新认识光的本质提供了动力。
（二）电子内部结构。在讨论光子的内部结构以前，我们先回顾一下电子的内部结构。在前面的讨论中我们指出：①电子的本质属性是粒子性，电子具有特定的内部结构，可以吸收光子也可以放出光子并且这一过程可以无限次重复，所以电子质量并非一成不变的而是时刻处于变化之中的。②与原子核 '质量幻数'相似，电子也存在若干个不连续的结合能极大值――'质量幻数'，每个'质量幻数'对应于电子在原子中的一条稳定轨道。电子在原子中不同稳定轨道上的质量是不同的，电子离核越近质量越小、离核越远质量越大。③电子离原子核越近质量越小、内部各部分结合的越紧密、'饥饿程度'越高因而其结合光子的能力越强；电子离核越远质量越大、内部各部分结合的就越松散、'饥饿程度'越低、其结合光子的能力就越弱。④当电子与原子核在静电引力作用下沿着直线相互靠近时，电子会通过'裂变'放出光子获得反冲从而增大绕核速度，保证其不落入原子核中；电子在远离原子核时又会迅速吸收光子增加质量为下一次'裂变'做好物质储备。⑤虽然电子可以吸收光子增大质量，但是电子存在'临界质量'，大于'临界质量'的电子都是极不稳定的，将在极短时间内裂变放出光子并重新生成能够稳定存在的质量较小的电子。原子核有特定的内部结构，原子核的质量不能无限增大，同样电子的质量也不能无限增大，因为随着电子质量的增大它会变得不稳定，所以这一点直接动揺了相对论的根基――质速关系：微观粒子打质量会随着其速度的增大而增加，微观粒子速度越大其质量也越大，当微观粒子速度无限接近光速时其质量无限增大。从电子内部结构的观点来看，电子的质量是不能无限增大的，现有的实验无一例外地说明一个事实：不仅电子的质量是不能无限增大的，任何一种微观粒子都存在'临界质量'而不可能无限增大质量。
如果我们用横坐标表示电子的质量，用纵坐标表示电子内部的结合力，则我们可以大致画出电子质量内部结合力草图。从图上可以看出，电子质量越小内部结合力越大同时离原子核越近、吸收光子的能力越强，电子质量越大内部结合力越小、离原子核越远、吸收光子的能力越弱，当电子吸收了质量足够大的光子后会处于'临界质量'，此时电子不能继续吸收光子增大质量了，在外界微小扰动作用下电子又会'裂变'放出光子减小质量。电子可以吸收光子也可以'裂变'放出光子来改变自身的运动状态，这是深刻认识电子在原子中的运动最重要的一点，由于电子的质量占原子质量的千分之一以下，所以通常情况下电子质量的变化对整个原子质量的影响很小，但我们也应该能够观测出来。事实上在化学变化中往往伴随着发光发热现象，物质放出了光子肯定损失了质量。
（三）光子的粒子性本质。我们认为：①光的本质属性是粒子性，自然界中能够稳定存在的光子质量是不连续的，光子的质量只能是最小质量的整数倍。②不同质量的光子有不同的内部结合力，一般而言光子质量越小内部结合力越大，光子质量越大内部结合务越小。③光子也存在'临界质量'，质量大于'临界质量'的光子在自然界中是不稳定的，会在极短时间内'裂变'生成能够稳定存在的质量较小的光子。
如果我们用横坐标表示光子的质量，用纵坐标表示光子内部结合力，则我们同样可以画出光子质量结合力草图。可以看到：质量较小的光子其内部结合力较大，光子也可以吸收其它物质增大质量，比如光子可以吸收若干个引力子增大质量；与电子内部结合力类似，质量极大的光子由于内部结合力较小在与其它粒子作用时会被其它粒子'掠夺'一部分质量，比如在康普顿散射实验中能量较高的X射线光子被物质散射后波长变长（能量变小，实际上是质量有损失），这个实验从一定程度上证明了大质量的光子内部结合力较弱，会被其他粒子'掠夺'一部分质量。自然界中稳定存在的光子的质量是不连续的观点有实验事实支持，上个世纪初物理学家在研究热辐射现象时发现：任何物体只要其温度在绝对零度以上都会向周围辐射能量，同时也会从外界吸收能量。普朗克在1900年研究物体热辐射规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的、而是一份一份进行的，计算的结果才能和试验结果相符。爱因斯坦随后提出了光量子假说，认为光和原子、电子等微粒一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子，每个光量子的能量E=hν。黑体辐射现象和光量子假说无一例外地说明一个事实：光子的能量是一份一份的，自然界中能够稳定存在的光子的能量（质量）都是不连续的，所有光子的能量均为某个最小能量的整数倍。
在了解光子与电子作用时，首先必须了解光子与电子作用的概率。如果我们把原子近似看作一个球体，由于原子核的体积很小只占原子空间的极小一部分（原子核的体积比原子体积小若干个数量级，可以参考太阳体积与太阳系的体积对比），所以光子穿过原子时与原子核作用的概率极小，也就是说当一个光子穿过原子核时光子与原子核相互作用是一个极小概率的事件，一般情况下可以认为光子不会与原子核碰撞。我们知道，原子核外通常有一个或者若干个电子在围绕原子核旋转，离原子核越近的电子其质量越小其运动区域（球壳部分）越小，离原子核越远的电子质量越大其运动区域越大、占原子体积的比率也越大，离原子核越近的电子质量越小其运动区域也越小、占原子体积的比率也越小。当一个光子穿过原子时，由于外层电子的运动区域较大所以光子与外层电子相遇的概率大于与内层电子相遇的概率，而光子与原子内层电子相遇作用的概率又大于光子与原子核相遇的概率。所以任一光子在穿越原子时，光子与外层电子的碰撞几率远远大于光子与内层电子的碰撞几率。
（四） 光子与电子的作用规律。在分析了电子质量结合力曲线以后，很多人认为电子与光子的作用规律非常简单：因为电子离原子核越近'饥饿程度'越高、结合光子的能力也越强，所以必然是离原子核越近的电子吸收光子的几率越大、离原子核越远的电子吸收光子的几率越小。实际上这是初学者的错误观点，考虑离原子核远近不同的电子对光子的吸收率不仅要考虑电子内部结合力（'饥饿程度'），还要考虑电子和光子的结合几率。
如果我们用横坐标表示光子的质量，用纵坐标表示光子的质量，则我们同样可以画出不同质量电子对不同光子的吸收率曲线草图。可以看到：质量较大的电子（外层电子）对能量较小的光子吸收率较大，质量较小的电子（内层电子）对能量较大的光子吸收率较大（当然了，电子的光子的吸收率不可能像上图这样简单，这里我们只是初步画出了草图，更深入的研究有待继续探索）。也就是说，原子中的最外层电子对无线电波这些小质量的光子吸收几率较大，而对X射线、γ射线的吸收率较小，一般情况下我们可以认为原子中外层电子不会吸收X射线、γ射线。根本原因在于，原子中的外层电子质量本来就比较大、'饥饿程度'低所以结合光子的能力也小，如果此时电子吸收一个大质量光子则有可能质量大于'临界质量'，而这样的电子是极不稳定的，由于外层电子时刻受到原子核静电引力的撕扯作用，而外层电子和大质量光子的结合力是很小的，所以在原子核静电引力的撕扯作用下外层电子不会吸收X射线、γ射线这类高能（大质量）光子，外层电子吸收小质量的光子的可能性较大。在光电效应中外层电子吸收一个质量较大的光子可以电离（摆脱原子核静电引力作用形成自由电子），当光子的能量（质量）继续增大时由于外层电子和光子的结合力变小导致外层电子对能量（质量）的光子吸收率减小，当电子对光子的吸收率很低时，即使光子能量很大也不会使外层电子电离，所以外层电子几乎不会吸收X射线、γ射线这类高能（大质量）光子。
当光子与原子中的内层电子作用时，由于内层电子离原子核较近质量较小、'饥饿程度'较高因而结合光子的能力较大。那么是不是内层电子对光子的吸收率高呢？不是的，一方面内层电子的运动区域小，光子在穿越原子时与内层电子作用几率较小，另一方面由于内层电子离原子核较近因而受到原子核静电引力的撕扯作用也很强，当内层电子吸收了一个质量较小的光子后虽然内层电子和光子的结合力较大，但是如果光子不能使内层电子跃迁到离原子核更远的轨道上，在原子核静电引力的撕扯作用内层电子会很快'裂变'放出光子，如果光子的能量足够大可以使内层电子电离，所以内层电子对能量足够大的光子的吸收率较大。
为什么红外线的热效应强于可见光、可见光的热效应强于紫外线呢？从电子对不同质量光子的吸收率图上可以看出，只有能量较小的光子才能够被外层电子吸收，外层电子吸收了红外线光子后可能跃迁到离核更远的稳定轨道上，也可能迫使外层电子回到离原子核更近的轨道上，如果外层电子回到了离核更近的轨道上，由于离核更近所以原子核静电引力撕扯作用将增大，此时外层电子会迅速'裂变'放出能量较大的光子（大于其吸收的红外线光子的能量），由于输出能量大于输入能量所以物体的温度就会升高。为什么可见光的热效应弱于红外线的热效应呢？这是因为当光子能量继续增大时，外层电子对光子的吸收率下降，所以外层电子回到离原子核更近的轨道上的几率也下降，其'裂变'放出光子的几率也较小。有人指出：可见光的能量更大被次外层的电子吸收的几率增大，次外层的电子吸收可见光回到离原子核更近的轨道上也会迅速'裂变'放出能量较大的光子，由此可见光的热效应也应该很明显而不会弱于红外线的热效应。理论上这样分析没有错，但是却忽略了光子与原子中不同电子的作用几率。前面我们指出：原子核在原子中占有的空间体积最小，因而光子与原子核的作用几率是最低的，内层电子运动区域小于外层电子的运动区域，所以可见光光子与内层电子的作用几率小于红外线光子与外层电子的作用几率，所以红外线的热效应更加明显。综合来讲，外层电子'裂变'放出光子是物质温度升高的主要原因，也就是说外层电子对物质热现象的贡献最大。
光子在不同介质中的传播速度是相同的。为了解光子在介质中的传播速度问题，可以先看一个简单的例子：在一条长度为1000公里的公路上公交车和出租车都以相同的速度每小时60公里行驶（这个速度相当于光在真空中的传播速度为C），在这条公路上每1公里设有一个车站（车站的密度相当于介质中原子的密度），出租车在每站的停留时间为1分钟，公交车在每站的停留时间为5分钟（因为公交车上下车的人比较多需要的时间就长）。则以相同速度走完这1000公里公路出租车所用时间少于公交车所用时间，也就是说出租车的平均车速大于公交车的平均车速。但实际上，公交车和出租车的速度是相同的都是每小时60公里，只不过公交车在每站停留的时间较长从而使其平均车速较慢，出租车在每站停留的时间较短从而使其平均车速较快。与之类似，光子在真空中和介质中的传播速度都是C，只不过光子在真空中传播时没有与原子作用，所以其平均速度始终为C；而光子在介质中传播时会不断与介质中的原子发生碰撞，光子与原子从碰撞到分离是需要一定时间的（就像公交车出租车到每站都要停留一段时间一样），所以造成光子在介质中的平均传播速度小于C。这里我们提出了光子在介质中的平均传播速度这个概念，平均传播速度和光子在介质中的传播速度是两个概念，平均传播速度永远小于传播速度。光子在介质中的传播速度永远和光子在真空中的传播速度是一样的，只不过平均传播速度考虑了光子与原子从碰撞到分离需要的时间（作用时间），所以平均传播速度永远小于传播速度。
光子和原子的作用时间指光子与原子从相遇到分离所需要的时间。光子在介质中的传播中会多次遇到介质中的原子（就像公路上的车站一样），光子遇到原子就会短暂停留一小段时间，光子在行进的路程上不断与原子作用(结合)--分离、传播极小距离后再与原子作用(结合)--分离，这一过程不断重复，造成光子在介质中的平均传播速度小于光子在真空中的传播速度。而实际上光子在介质中的传播速度和光子在真空中的传播速度是一样的，都是C。光子在介质中的平均传播速度主要取决于光子与原子的作用(结合)时间长短，光子与原子作用(结合)时间越长则光子在介质中的平均传播速度越小。由于能量较大的光子与原子的作用(结合)时间较长而能量较小的光子与原子的作用(结合)时间较短，从而造成红光在介质中的传播速度大于紫光在介质中的传播速度。
联系客服
