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光的相关学说

日期:2018-10-08

光的微粒说

关于光的本性的一种学说。17世纪曾为牛顿等所提倡。这种学说认为光由光源发出的微粒、它从光源沿直线行进至被照物,因此可以想像为一束由发光体射向被照物的高速微粒。这学说很直观地解释了光的直进及反射折射等现象,曾被普遍接受;直到19世纪初光的干涉等现象发现后,才被波动说所推翻。1905年爱因斯坦提出光是一种具有粒子性的实物(光子)。但这观念并不摒弃光具有波动性质。这种关于光的波粒二象性的认识,是量子理论的基础。

光的波动说

关于光的本性的一种学说。第一位提出光的波动说的是与牛顿同时代的荷兰人惠更斯。他在17世纪创立了光的波动学说,与光的微粒学说相对立。他认为光是一种波动,由发光体引起,和声一样依靠媒质来传播。这种学说直到19世纪初当光的干涉和衍射现象被发现后才得到广泛承认。19世纪后期,在电磁学的发展中又确定了光实际上是一种电磁波,并不是同声波一样的机械波。1888年德国物理学家赫兹用实验证明了电磁波的存在,从此奠定了光的电磁理论。这一理论能够说明光的传播、干涉、衍射、散射、偏振等许多光现象。

光的电磁说

光的干涉和衍射现象无可怀疑地证明了光是一种波,到19世纪中叶,光的波动说已经得到公认。但是,光是光波是一种特定频段的电磁波。

什么性质的波?难道像水波一样?像声波一样?光波的本质是什么,这个问题一直没有解决。那时候人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看成是在某种弹性介质里传播的振动。到了19世纪60年代,麦克斯韦预言了电磁波的存在,并且从理论上得出,电磁波在真空中的传播速度应为3.11×108m/s,而当时实验测得的光速为3.15×108m/s,两个数值非常接近。麦克斯韦认为这不是一种巧合,它表明光与电磁现象之间有本质的联系。由此他提出光在本质上是一种电磁波。这就是光的电磁说。到1886年,赫兹通过实验证实了电磁波的存在,并且测出了实验中的电磁波的频率和波长,从而计算出了电磁波的传播速度,发现电磁波的速度确实与光速相同,这样就证明了光的电磁说的正确性。



光的电磁说是说明光在本质上是电磁波的理论。电磁辐射不仅与光相同,并且其反射、折射以及偏振之性质也相同。由麦克斯韦的理论研究表明,空间电磁场是以光速传播。这一结论已被赫兹的实验证实。麦克斯韦,在1865年得出了结论:光是一种电磁现象。按照麦克斯韦的理论,c/v=√(εμ)。

式中c为真空中的光速。ν为在介电常数为ε和导磁系数为μ的介质中的光速。根据折射率的定义n=c/v,我们有n=√(εμ)。

这个关系式给出了物质的光学常数,电学常数和磁学常数之间的关系。当时从上述的公式中看不出n应随着光波的电场强度E与磁感应强度M的波长λ而改变,因而无法解释光的色散现象。后来洛伦兹在1896年创立了电子论。从这一理论看,介电常数ε是依赖于电磁场的频率,即依赖于波长而变的,从而搞清了光的色散现象。光的电磁理论能够说明光的传播、干涉、衍射、色散、散射、偏振等许多现象,但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质,所以还需要近代的量子理论来补充。

光的光子说

1905年,爱因斯坦提出光是一种具有粒子性的实物(光子)。爱因斯坦提出光子的概念,由爱因斯坦光子假说发展成现代光子论(photon theory)的两个基本点是: (1) 光是由一颗一颗的光子组成的光子流。每个光子的能量为ε = hυ。由N个光子组成的光子流,能量为Nhυ(不计真空场的零点能)。 (2) 光与物质相互作用,即是每个光子与物质微观粒子相互作用。根据能量守恒定律,约束得最不紧的电子在离开金属面时具有最大的初动能,所以对于电子应有:hυ=(1/2)mv2+W。上式即为光电效应方程,W 代表电子脱离金属表面所需要的能量,称为功函数(work function)。

光的波粒二象性

光电效应以及康普顿效应无可辩驳地证明了光是一种粒子,但是光的干涉和光的衍射又表明光确实是一种波。光到底是什么?光是一种波,同时也是一种粒子。光具有波粒二象性。这就是现代物理学的回答。

根据量子场论(或者量子电动力学),光子是电磁场量子化之后的直接结果。光的粒子性揭示了电磁场作为一种物质,是与分子、原子等实物粒子一样,有其内在的基本结构(组成粒子)的。而在经典的电动力学理论中,是没有“光子”这个概念的。

量子物理学中,光子是电磁场的微观组成单元,电磁场是大量光子的累积效应。就如同地球水份分布是大量水分子的累积效应。