2. 二象性的光子
光是人们特别熟悉的现象， 人的工作、学习都离不开它。但光到底是什么呢？ 对它的本质的认识却是经历了一个十分漫长而曲折的过程。
最初， 人们从光的直线传播出发认为光是由发光体射出来的粒子流。后来， 发现了光的干涉、衍射、双折射现象， 又有人提出光是一种波动。这两种不同的观点交替地占据主导地位。到19 世纪， 电磁学理论表明， 光的本质就是电磁波。这样一来， 似乎光的波动本质说占据了上风。
可是， 进入20 世纪以后。这种关于光的本性的认识遇到了新的问题。在汤姆逊发现电子之后， 物理学家注意到了这样一个现象： 当一定频率的光照射到金属表面时， 会有电子从金属表面逸出， 这就是光电效应。其实这一现象早在1887 年， 德国物理学家赫芝在进行火花放电实验时就发现了。他在实验中注意到， 接受电磁波的电极在受到紫外线照射时， 火花放电就容易发生。很快， 他就弄明白这是因为放电间隙内出现了荷电体。当时还不知道这荷电体就是电子。对光电效应的进一步实验研究， 发现只有当光的频率高于某一定值时， 才能从某一金属表面打出电子来； 低于这个频率的光， 即使加大光强也无济于事， 不会产生光电效应； 而且， 被打出的电子的能量， 只和光的频率有关， 而与光的强度无关； 被打出的电子的数目却只同光的强度有关而与光的频率无关。物理学家对光电效应的表现已研究的比较清楚， 可是对这一现象却无法从理论上给予解释。
这个理论上的难题是由20 世纪最伟大的物理学家爱因斯坦解决的。爱因斯坦对物理学理论的最大贡献是建立了相对论理论， 这是物理学在20 世纪取得的最伟大成就之一。也正是由于相对论的建立， 使世人把爱因斯坦看作是一个最少保守思想、勇于突破旧观念而提出新思想的物理学家。在对光电效应的理论解释上， 他又鲜明地表现出他的这一风格。
1900 年， 德国物理学家普朗克在关于黑体辐射的研究中， 提出了量子假说。他的假说认为在辐射过程中， 物体的原子不是连续地放出或吸收能量， 而是每次以确定大小， 陆续地放出或吸收能量。这确定大小的能量总是某一最小单位的整数倍， 这最小单位被称为量子。每个量子的能量大小取决于辐射的波长， 波长越短， 能量越大， 即量子的能量与波长成反比。我们还知道波长同频率也成反比， 所以可以得到量子能量与频率成正比：E= hv式中，E 表示量子能量；v 表示量子频率；h 是普朗克常数。
普朗克提出了量子概念， 很好地解释了黑体辐射中温度与辐射波长的关系。但是， 量子这个思想在当时实在是太新鲜了， 和经典物理学的理论截然不同。这使得当时大多数物理学家感到难以接受， 就连普朗克本人也对他自己提出的新概念“吓坏”了。普朗克提出量子假说时， 已经42 岁了， 他受过严格的经典物理学教育， 所以在他的思想深处不愿意作出违背经典物理学理论的假设。而他当初之所以提出与经典物理学不相容的量子假说， 主要是迫于实验事实而引入的， 他并没有意识到能量子是客观实在。后来， 他产生了动摇。
就在这时， 爱因斯坦接受了量子概念， 并运用它成功地解决了光电效应理论解释上的困难。他认为射向金属表面的光， 实际上就是具有能量为E= hv 的粒子流， 并把这种粒子称为光量子( 后来简称为光子) 。如果照射光的频率过低， 即光子流中每个光子的能量较小， 当它照射到金属表面时， 电子吸收了这一光子， 但它所增加的能量仍小于电子脱离金属表面所需要的逸出功， 电子就不能脱离开金属表面。如果照射光的频率增高到能使电子吸收光子后， 它的能量足以克服逸出功而脱离金属表面， 光电效应得以发生。这时光电子的能量( 21 mv ) 、照射光的能量( hv) 和逸出功( Α) 之间的关系可以表示成： 1hv2 =hv-2 上式即爱因斯坦给出的光电方程。由这个方程也可以看出， 光电效应中产生的光电子的能量取决于照射光的能量( 或频率)， 而与照射光的强度无关。照射光的强度只是表明， 当照射光射到金属表面上， 它的强度越大， 光量子的数目就越多； 被金属表面的电子吸收的可能性也就越大， 产生的光电子数目就可能增多。由于不同的金属原子对电子的束缚状况不同， 有的金属原子对电子的束缚力比较弱， 照射光的波长可以比较长， 也就是它的频率比较小即可； 而有的金属原子对电子的束缚力比较强， 照射光的波长就要比较短， 也就是频率要比较大才行。不同的光子就好比是力气大小不同的人， 力气足够大的人可以推动一辆汽车； 而力气太小的人，则推不动汽车， 即使他一次又一次地去推， 汽车还是不会动。爱因斯坦对光电效应的解释是成功的。
爱因斯坦于1905 年提出的对光电效应的理论解释被称为光量子论。光量子论的成功， 使量子论的思想得以迅速传播。爱因斯坦也就是由于这一成就( 而不是因为创立相对论理论) 获得了1921 年的诺贝尔物理学奖。普朗克最先提出了量子假说， 但他未能对量子理论的发展作出更多的贡献。这里主要原因倒不是由于他接受了严格的经典物理学训练， 因为任何新理论产生之前， 人们只能接受已有理论的训练。另外， 新理论的提出者都是对旧理论十分熟悉的人， 他们知道旧理论在什么地方出了毛病， 需要做出什么样的修改和变革。当然， 只有那些既熟悉已有理论又具有创新意识的科学家， 才会做出更大的贡献。普朗克的思想过于保守， 拘泥于旧的传统观念， 限制了他的创造才华。
通过对光电效应的研究， 物理学家认识到光的本性是一种粒子， 即光子。可是， 电磁学理论已确凿无疑地认定光就是电磁波， 光的本性是一种波动。那么， 光到底是粒子， 还是波呢？ 爱因斯坦的回答是， 光可以被看作是波动说和微粒说的融合。这是一个非常重要的思想， 它指出对光究竟是粒子还是波这个问题， 不能从经典理论的观点去看待。在经典理论中， 光要么是质点粒子， 要么是像水波一样的波， 两者是截然对立的。爱因斯坦则从新的角度， 提出光除了具有已知的波动性以外， 还具有粒子的性质， 这就第一次提出了光的波粒二象性的概念。从光的干涉、衍射和偏振等现象， 即从光在空间传播过程中所表现的各种现象来研究光的本性， 光是一种波动， 可以用频率、波长、位相、振幅等概念来描述。从光电效应等现象， 即光和实物的相互作用中所表现出来的效果来研究光的本性， 光又是一种粒子， 可以用能量动量等概念来描述。波动性表现为一种连续性， 粒子性表现为一种分立性。波动性与粒子性虽然相互对立、相互排斥，但是它可以统一于光这个微观客体， 也就是说， 光具有双重性质， 既有波动性又有粒子性。
光的波粒二象性的事实， 很自然地引起了物理学家的一个反问： 本来认为具有波动性的光， 由于量子论而发现了它的粒子性， 那么像电子这样的粒子是否也会具有波动性呢？这个反问是十分有意义的。1920 年， 德国物理学家德布罗依就根据这个反问， 把波粒二象性推广到物质粒子( 特别是电子) 。他认为每个粒子与一定的波动联系起来， 它的波长( λ) 与粒子动量( P) 的关系是：Ρ= h/ 而且德布罗依还预言了电子束在穿过狭缝或小孔时会像光一样， 产生衍射现象。1927 年， 物理学家用实验获得了电子的衍射图样， 完全证实了德布罗依假设的正确性。
一切物质粒子都具有波粒二象性， 这是20 世纪初期物理学上一个崭新的观念。由此出发， 物理学家着手建立描述微观粒子运动规律的理论。1925 ～1926 年， 新的理论诞生，这就是量子力学。它是由奥地利物理学家薛定谔和德国物理学家海森堡独立地用两种不同的形式给出的， 即波动力学和矩阵力学。后来， 证明波动力学和矩阵力学两种形式的理论是一致的， 统称为量子力学。量子力学成为认识微观世界的基本理论。
最初， 人们从光的直线传播出发认为光是由发光体射出来的粒子流。后来， 发现了光的干涉、衍射、双折射现象， 又有人提出光是一种波动。这两种不同的观点交替地占据主导地位。到19 世纪， 电磁学理论表明， 光的本质就是电磁波。这样一来， 似乎光的波动本质说占据了上风。
可是， 进入20 世纪以后。这种关于光的本性的认识遇到了新的问题。在汤姆逊发现电子之后， 物理学家注意到了这样一个现象： 当一定频率的光照射到金属表面时， 会有电子从金属表面逸出， 这就是光电效应。其实这一现象早在1887 年， 德国物理学家赫芝在进行火花放电实验时就发现了。他在实验中注意到， 接受电磁波的电极在受到紫外线照射时， 火花放电就容易发生。很快， 他就弄明白这是因为放电间隙内出现了荷电体。当时还不知道这荷电体就是电子。对光电效应的进一步实验研究， 发现只有当光的频率高于某一定值时， 才能从某一金属表面打出电子来； 低于这个频率的光， 即使加大光强也无济于事， 不会产生光电效应； 而且， 被打出的电子的能量， 只和光的频率有关， 而与光的强度无关； 被打出的电子的数目却只同光的强度有关而与光的频率无关。物理学家对光电效应的表现已研究的比较清楚， 可是对这一现象却无法从理论上给予解释。
这个理论上的难题是由20 世纪最伟大的物理学家爱因斯坦解决的。爱因斯坦对物理学理论的最大贡献是建立了相对论理论， 这是物理学在20 世纪取得的最伟大成就之一。也正是由于相对论的建立， 使世人把爱因斯坦看作是一个最少保守思想、勇于突破旧观念而提出新思想的物理学家。在对光电效应的理论解释上， 他又鲜明地表现出他的这一风格。
1900 年， 德国物理学家普朗克在关于黑体辐射的研究中， 提出了量子假说。他的假说认为在辐射过程中， 物体的原子不是连续地放出或吸收能量， 而是每次以确定大小， 陆续地放出或吸收能量。这确定大小的能量总是某一最小单位的整数倍， 这最小单位被称为量子。每个量子的能量大小取决于辐射的波长， 波长越短， 能量越大， 即量子的能量与波长成反比。我们还知道波长同频率也成反比， 所以可以得到量子能量与频率成正比：E= hv式中，E 表示量子能量；v 表示量子频率；h 是普朗克常数。
普朗克提出了量子概念， 很好地解释了黑体辐射中温度与辐射波长的关系。但是， 量子这个思想在当时实在是太新鲜了， 和经典物理学的理论截然不同。这使得当时大多数物理学家感到难以接受， 就连普朗克本人也对他自己提出的新概念“吓坏”了。普朗克提出量子假说时， 已经42 岁了， 他受过严格的经典物理学教育， 所以在他的思想深处不愿意作出违背经典物理学理论的假设。而他当初之所以提出与经典物理学不相容的量子假说， 主要是迫于实验事实而引入的， 他并没有意识到能量子是客观实在。后来， 他产生了动摇。
就在这时， 爱因斯坦接受了量子概念， 并运用它成功地解决了光电效应理论解释上的困难。他认为射向金属表面的光， 实际上就是具有能量为E= hv 的粒子流， 并把这种粒子称为光量子( 后来简称为光子) 。如果照射光的频率过低， 即光子流中每个光子的能量较小， 当它照射到金属表面时， 电子吸收了这一光子， 但它所增加的能量仍小于电子脱离金属表面所需要的逸出功， 电子就不能脱离开金属表面。如果照射光的频率增高到能使电子吸收光子后， 它的能量足以克服逸出功而脱离金属表面， 光电效应得以发生。这时光电子的能量( 21 mv ) 、照射光的能量( hv) 和逸出功( Α) 之间的关系可以表示成： 1hv2 =hv-2 上式即爱因斯坦给出的光电方程。由这个方程也可以看出， 光电效应中产生的光电子的能量取决于照射光的能量( 或频率)， 而与照射光的强度无关。照射光的强度只是表明， 当照射光射到金属表面上， 它的强度越大， 光量子的数目就越多； 被金属表面的电子吸收的可能性也就越大， 产生的光电子数目就可能增多。由于不同的金属原子对电子的束缚状况不同， 有的金属原子对电子的束缚力比较弱， 照射光的波长可以比较长， 也就是它的频率比较小即可； 而有的金属原子对电子的束缚力比较强， 照射光的波长就要比较短， 也就是频率要比较大才行。不同的光子就好比是力气大小不同的人， 力气足够大的人可以推动一辆汽车； 而力气太小的人，则推不动汽车， 即使他一次又一次地去推， 汽车还是不会动。爱因斯坦对光电效应的解释是成功的。
爱因斯坦于1905 年提出的对光电效应的理论解释被称为光量子论。光量子论的成功， 使量子论的思想得以迅速传播。爱因斯坦也就是由于这一成就( 而不是因为创立相对论理论) 获得了1921 年的诺贝尔物理学奖。普朗克最先提出了量子假说， 但他未能对量子理论的发展作出更多的贡献。这里主要原因倒不是由于他接受了严格的经典物理学训练， 因为任何新理论产生之前， 人们只能接受已有理论的训练。另外， 新理论的提出者都是对旧理论十分熟悉的人， 他们知道旧理论在什么地方出了毛病， 需要做出什么样的修改和变革。当然， 只有那些既熟悉已有理论又具有创新意识的科学家， 才会做出更大的贡献。普朗克的思想过于保守， 拘泥于旧的传统观念， 限制了他的创造才华。
通过对光电效应的研究， 物理学家认识到光的本性是一种粒子， 即光子。可是， 电磁学理论已确凿无疑地认定光就是电磁波， 光的本性是一种波动。那么， 光到底是粒子， 还是波呢？ 爱因斯坦的回答是， 光可以被看作是波动说和微粒说的融合。这是一个非常重要的思想， 它指出对光究竟是粒子还是波这个问题， 不能从经典理论的观点去看待。在经典理论中， 光要么是质点粒子， 要么是像水波一样的波， 两者是截然对立的。爱因斯坦则从新的角度， 提出光除了具有已知的波动性以外， 还具有粒子的性质， 这就第一次提出了光的波粒二象性的概念。从光的干涉、衍射和偏振等现象， 即从光在空间传播过程中所表现的各种现象来研究光的本性， 光是一种波动， 可以用频率、波长、位相、振幅等概念来描述。从光电效应等现象， 即光和实物的相互作用中所表现出来的效果来研究光的本性， 光又是一种粒子， 可以用能量动量等概念来描述。波动性表现为一种连续性， 粒子性表现为一种分立性。波动性与粒子性虽然相互对立、相互排斥，但是它可以统一于光这个微观客体， 也就是说， 光具有双重性质， 既有波动性又有粒子性。
光的波粒二象性的事实， 很自然地引起了物理学家的一个反问： 本来认为具有波动性的光， 由于量子论而发现了它的粒子性， 那么像电子这样的粒子是否也会具有波动性呢？这个反问是十分有意义的。1920 年， 德国物理学家德布罗依就根据这个反问， 把波粒二象性推广到物质粒子( 特别是电子) 。他认为每个粒子与一定的波动联系起来， 它的波长( λ) 与粒子动量( P) 的关系是：Ρ= h/ 而且德布罗依还预言了电子束在穿过狭缝或小孔时会像光一样， 产生衍射现象。1927 年， 物理学家用实验获得了电子的衍射图样， 完全证实了德布罗依假设的正确性。
一切物质粒子都具有波粒二象性， 这是20 世纪初期物理学上一个崭新的观念。由此出发， 物理学家着手建立描述微观粒子运动规律的理论。1925 ～1926 年， 新的理论诞生，这就是量子力学。它是由奥地利物理学家薛定谔和德国物理学家海森堡独立地用两种不同的形式给出的， 即波动力学和矩阵力学。后来， 证明波动力学和矩阵力学两种形式的理论是一致的， 统称为量子力学。量子力学成为认识微观世界的基本理论。
