光的本性浅析

学号2009本科学年论文院物理电子工程学院业物理学级____2009级姓名论文题目光的本性浅析指导教师 张东玲 职称讲师成绩 2011年06月02日,,,,,,,,,,,关键字AbstractKeywords,,,,,,,,,,,,1光的波动说和微粒说1.1"微粒"说,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，TOC\o"1-5"\h\z12波动说 21.3波动说的复兴,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,， 31.4微粒说与波动说的争论,,,,,,,,,,,,,,,,,,,， 4光的电磁波理论,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,， 4J光"子理？匕 5,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4光的波粒二象性的确立,,,,,,,,,,,,,,,,,,,“ 65量子光学现代光本观,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,， 66对光本性的新讨论,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,， 66.1光的粒群波的波粒性统一及其物理现象的解释，，,,,,,,,， 66.2对光的本性的阐述,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，7结束语参考文献,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光的本性浅析学生姓名：张新理 学号：20095040118单位：物理电子工程院 专业：物理学指导教师：张东玲 职称：讲师摘要：本文简单介绍了对光本性的探索历程，从牛顿的微粒说到光的波粒二象性，经历了艰难的研究过程，我们对光的认识和探索源于历史的积累，通过不断的探索，对光本性有了更深入和明白的了解，解决了人们的很多疑问，也使光更好的为我们所利用，微观世界的发展注定人们对光的研究也会越来越深入。关键字：光的本性；波动说；粒子说；波粒二象性；量子力学；粒群波BrieflytalkaboutthenatureoflightAbstract:Thisarticlesimplyintroducestheexplorationofopticalnatureprocess.PeoplehavegonethroughdifficultresearchprocessfromtheNewtonparticlessaidtolightwave-particleduality.Ourvisualrecognitionandexplorecomefromhistoricalaccumulation.Throughcontinuousexploration,weknowopticalnaturebetter,andwesolvemanyproblemsaboutit,alsowemakefulluseoflight.Withthedevelopmentofthemicroworld,ourstudyaboutlightwillalsobecomemoreandmorewidely.Keywords:lightnature;fluctuationsaid;particlesaid;wave-particleduality;quantumoptics;particleswarmwave引言光学既是物理学中最古老的一门学科，又是当前科学领域中的最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力，很久以来，人们对光就进行了各种各样的研究光到底是什么东西呢？这个问题困扰了许多有智之士。对光本性的研究在历史上经历了一个漫长而曲折的过程。1光的波动说和微粒说1.1微粒说17世纪英国著名的科学家牛顿，关于光的本性，他是这样认为的：光是发光物体接连不断地向周围空间发射局速直线飞行的光粒子（1）,一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒说牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象.由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象。它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。解释光的折射定律比较麻烦，根据牛顿的推算，光在介质中速度要比光在真空中速度要大（后来知道这是错误的，可是当时无法判断这个推算正确与否）。几束光相遇后会彼此毫无妨碍地继续向前传播。牛顿认为光的反射是由于光微粒受到介质的排斥所致，折射是微粒受到介质的吸引所致，那么一束光射到介质表面时，既有反射又有折射，为什么介质对光微粒“有亲有疏”呢？如果把光看成微粒，那么它将像飞行子弹那样在传播过程中相碰撞，因而要改变传播方向，但这与事实是不符的。这表明光的独立传播与光的机械微粒流概念是不相容的，它成为微粒说的致命弱点。光的衍射现象更难用微粒说解释。1.2波动说荷兰物理学家惠更斯（ChristianHugeness,1629414-169568）在胡克、笛卡尔等人的基础上提出了光是震动传播的假说。他认为光是发光体中的微小粒子震动在弥漫与宇宙空间的以太中的传播过程。 他认为当以太振动时，每一个以太的介质点就是光的振动源，并向周围传播球面次波。这些传播的次波组合在一起的包络面就是下一个瞬间的新波面，这就是著名的“惠更斯原理” 。⑴这种原理解释了光的反射，确认了光是一种波动运动，并还推论出光波在水中的速度小于在空气中的速度。符合了当时光速在空气中和水中的对比测定， 这就证实了光的波动性解释是正确的。1678年，惠更斯把光波假设为一纵波，推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律，书中并末提到关于光谱分解为各种颜色的问题。惠更斯的光的波动理论是研究碰撞现象的一个直接结果， 他认为光是一种问题冲量，他类似于球与球之间的冲量的传递，这一研究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合。波动说不但解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播，而且解释了光的反射和折射现象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反.它解释不了人们最熟悉的光的直线传播和颜色的起源等问题。对光的波长是“很短、很短”这一点还不清楚，因此对光照射到不透明物体后会留下清晰的影子，还解释不了 (亦即解释不了光的直线传播规律)尽管当时已发现了光的衍射现象，却没有给波动说提供什么理论优势。1.3波动说的复兴1801年，英国物理学家托马斯？杨(ThomasYoung,1773.6.13-1829.5.10)提出干涉理论。利用干涉观念成功解释了牛顿环，同时也成为第一个近似测定波长的人。杨氏干涉实验是牛顿绝对空间粒子光本向麦克斯韦以太空间波动光本过渡的关键性实验.⑸1802年他就用光的波动说完善的阐明了光的干涉和干涉条纹的分布规律，并对肥皂泡膜彩色图像也做了令人满意的解释。在 1807年出版的《自然哲学和机械工艺讲义》中对光的干涉再次作了解释。1815年，菲涅耳设计一个实验：利用两个与小孔或不透明障碍物边缘都无关的小光源，用两块彼此接近180°角的平面金属镜，避开衍射，由反射光束来产生干涉现象。并运用大量工具进行数学运算，使实验数据与计算结果一致，被授予优胜奖。菲涅耳用波动说解释影子的存在和光的直线传播， 并指出光的干涉现象和声音的干涉现象所以不同，是由于光的波长短得多。这一成功，为光的波动说增添了不少光辉。泊松根据菲涅耳的计算结果，得出在一个圆片的阴影中心应当出现一个亮点，这是令人难以相信的，过去也从没看到过。但是菲涅耳的理论计算表明，当这个圆片的半径很小时，这个亮点才比较明显。经过实验验证，果真如此。菲涅耳荣获了这一届的科学奖，而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑。菲涅耳后来又成功的解释了光的衍射现象， 认识到光是横波性的振动。他推算出了光波在介面上所发生的反射折射的光强和他们的偏振态随入射角的变化规律，即著名的菲涅耳公式。菲涅耳开创了光学的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯？杨的波动理论，成为“物理光学的缔造者”。但是菲涅耳的理论仍然建立在以太为传播介质的基础上，认为以太是充满在整个宇宙空间和物质内部的介质，这一论断仍然不能令人信服和理解，所以说光的波动说虽然可以解释大部分光的现象，但是人们对于光波本质的认识还存在着一定的疑问。1.4微粒说与波动说的争论对折射现象的分析，两种学说得到不同结论：微粒说得出光在光密介质中光速大于光疏介质中光速；波动说得出光在光密介质中光速小于光疏介质中光速。但是，由于当时实验条件限制，无法测量光速，所以无法判断谁对谁错，因此二者争论达一个世纪多。两学说几乎是同一时代产生的，各有成功的一方面，但都不能完美地解释当时知道的各种光现象。2光的电磁波理论1865年麦克斯韦预言了电磁波的存在，电磁波只可能是横波，并计算了电磁波的传播速度等于光速，同时得出结论：光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。1888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在，他的预言终于得到了证实。1873年，麦克斯韦在发表了“三部曲”之后，又潜心写出了经典著作《电磁通论》，这部元典相当于电磁学的百科全书，甚至可以与牛顿的《自然哲学之数学原理》相媲美。它系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。在自由空间中，电场和磁场互相激发，电磁场的运动规律是齐次的麦克斯韦方程组（p=0，j=0的情形）：-BE--t在真空中可根据（1）（2）（3）推得光的波动方程，麦克斯韦就据此预言了电磁波的存在。⑵在关于平面电磁波的定量研究中，麦克斯韦除了指出电磁波的横波性之外，还类比予机械波的波速由介质的弹性系数和密度来决定的关系， 证明了决定电磁波传播速度的“弹性系数”与电场相联系，“密度''与磁场相联系，于是求出电磁波的传播速度为电介质的磁导率和介电常数之积的平方根的倒数。于是在真空中，电磁波的传播速度为3X108m/s恰好等于由实验测定的光速。这个奇妙的结果促使麦克斯韦在他的思想里实现了一个极具创造性的巨大飞跃： 两个结果的一致性表明，光和磁乃是同一实体的属性的表现，光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动。1868年，麦克斯韦发表了一篇短而重要的论文《关于光的电磁理论》确地把光概括到电磁理论中，这就是著名的麦克斯韦刚立的光的电磁波学说。这样，麦克斯韦就把原来相互独立的电学、磁学和光学这三个重要的物理学研究领域结合起来，成勾十九世纪中叶物理学上实现的一个重大综合。光既然是一种电磁波，光的波动说就是顺理成章的事了。光波在传播过程中所产生的干涉衍射偏振等各种现象都可以基于电磁波理论获得正确解释，这是光的电磁波理论的一大胜利，但是这一理解还不能否定以太是传播介质的概念，因此对于以太为介质的疑点还是没有得到准确的解释。3光子理论19世纪，由众多物理学家进行的对于黑体辐射长达四十多年( 1860-1900)的研究因普朗克建立的假说而得到终结，普朗克提出任何系统发射或吸收频率为v的电磁波的质量总是m=E/c2=hv/c2的整数倍。爱因斯坦由此提出的光量子假说则能够成功对光电效应作出解释，爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的理论先进性在于，在麦克斯韦的经典电磁理论中电磁场的能量是连续的，能够具有任意大小的值，而由于物质发射或吸收电磁波的能量是量子化的，这使得很多物理学家试图去寻找是怎样一种存在于物质中的约束限制了电磁波的能量只能为量子化的值；而爱因斯坦则开创性地提出电磁场的能量本身就是量子化的。爱因斯坦并没有质疑麦克斯韦理论的正确性，但他也指出如果将麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中到一个个运动互不影响的光量子上， 很多类似于光电效应的实验能够被很好地解释。在1909年和1916年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有一定的动量，以赋予它们完美的粒子性。光子的动量在1926年由康普顿在实验中观测到，康普顿也因此获得1927年的诺贝尔奖。爱因斯坦光量子理论的重要意义，不仅在于对光电效应作出了正确的解释，更重要的是将光视为是波动论和微粒论的一种融合体--光的波粒二象性，使人们对光的本性的认识更前进了一大步。由此认识到光出了具有波动性之外还有粒子性，也即光具有波粒二象性的实体。爱因斯坦等人的工作证明了光子的存在，随之而来的问题是：如何将麦克斯韦关于光的电磁理论和光量子理论统一起来呢？爱因斯坦始终未能找到统一两者的理论，但如今这个问题的解答已经被包含在量子电动力学和其后续理论： 标准模型中。4光的波粒二象性的确立经过多少年的发展，对光的本性的正确和全面的认识应该是；光即有波动性又体现有粒子性，光在传播过程中所发生的各种现象都可以用电磁波的理论来描述和阐明，但在涉及光和其他物质的相互作用时，涉及他们之间存在着能量交换时，则必须考虑光是粒子性的本质，必须要用量子力学的理论来处理。5量子力学现代光本观1923年，刚从历史学转为物理学研究的德布罗意把“波动性”和“粒子性”的统一扩展到所有物质。再后来，海森伯和薛定谔相继提出矩阵力学和波动力学，量子力学数学形式形成。但是量子力学数学背后的物理理论实在一直令人困惑。哥本哈根学派被称为正统解释，其主要的观念是“测不准原理”、“互补原理”、“几率波迭加原理”.但这些解释都存在着一系列困境。⑷“测不准原理”本来是人对外界的测量的力作用理论，因为人本是自然的组成物，人对外界的测量实质上是物体对物体的作用，作用的结果当然会改变双方的运动，这个意义上确实是“测不准”。但人不是上帝，不能由此认为自然规律也是随机的。譬如，哥本哈根学派举例说 ：“单缝衍射的缝越窄，衍射带越宽，是测不准关系式粒子动量和位置积不大于普朗克常数的证明。事实上，当光子群通过窄的缝时光子被缝两壁来回反射、折射的次数多，方向变化大，自然会呈现出较宽的衍射带。这可用光粒群波很好解释⑻，没有必要引入测不准原理牵强附会。按照哥本哈根学派，光的本性是一种几率波，则让人十分费解：几率波的波长是一个什么概念？什么是“一个电子的几率波”？直至今天？所有证明粒子波的实验都是用大量粒子或一排排粒子做的。尚没有证明单个电子、单个光子也有波。6对光本性的新讨论6.1光的粒群波的波粒性统一及其物理现象的解释利用光的粒群波通过缝时部分光子被缝壁折射、反射而导致的光子群重新分布，可很好解释杨氏干涉和光的衍射现象；利用光子群速度服从伽利略变换解释历史上涉及光速的实验；利用光子的质量、速度和能量，动量守恒解释康普顿散射和光电效应等实验；利用光子群列新赋予的能量表达式摆脱“紫外灾难” ⑻°6.2对光的本性的阐述根据康普顿散射计算出光子的质量为：3.68625163X0-51(kg),并推导出普郎克常数、光子质量、光相对源常数，光子质量间的关系式为h=2mc2u(u为单位秒，m为光子质量)。⑶可以得出一排光子列的动量为P=h/2衣动能为E*k=hvo光在近代物理学中扮演了一个极重要的角色，以致于电磁论