光的波粒二象性

關於光是粒子還是波的爭論由來已久，甚至可以追逆到科學最初萌芽的時候。艾薩克 •牛頓提出了光的粒子理論，而詹姆斯•克拉克•麥克斯韋的電磁學理論認為光是一種波。到了1905年，爭論出現了戲劇性的變化，愛因斯坦提出光是由稱為「光子」的粒子組成，藉此解釋了光電效應，他也因些獲得了諾貝爾物理學獎。光電效應的發現對物理學影響深遠，並對後來量子力學的發展作出了重大貢獻。

量子力學對微小粒子，如原子和光子的行為預測上，具有驚人的準確性。然而這些預測非常違反直覺。比如量子理論認為類似光子的粒子可以同時在不同的地方出現，甚至是同時在無窮多的地方出現，就像波的行為一樣。這種被稱為「波粒二像性」的概念，也適用於所有亞原子粒子，如電子、夸克甚至希格斯玻色子等。波粒二象性是量子力學理論的基礎，諾貝爾獎獲得者理察•費曼「量子力學中一個真正的奧秘」。

理論物理學家約翰•惠勒於上世紀80年代進行的經典實驗提出:觀察光子時應用方法，將最終決定光子的行為是像粒子還是像波。

尼斯大學國家科學研究中心的費洛理安•凱瑟，利用糾纏光子對實現了惠勒的實驗。一個光子通過幹涉儀被探測到，使研究都能夠測定第二個光子的狀態，是像波的形式還是粒子形式，或者是二者之間。他們的實驗也實現了光子從波的形式向粒子狀態的轉變。

高中物理選修3-5：光的波粒二象性知識點

一、黑體輻射規律

1、黑體：只吸收外來電磁波而不反射的理想物體

2、黑體輻射的特點

黑體的輻射強度按波長分布只與溫度有關，與物體的材料和表面形狀無關（一般物體的輻射強度按波長分布除與溫度有關外，還與物體的材料、表面形狀有關）；

3、黑體輻射規律：

隨著溫度的升高，任意波長的輻射強度都加強‚隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向著波長減小的方向進行；

4、普朗克的量子說：

透過黑體輻射規律，普朗克認為：電磁皮的輻射和吸收，是不連續的，而是一份一份地進行的，每份叫一個能量子，能量為。

愛因斯坦受其啟發，提出了光子說：光的傳播和吸收也是一份一份地進行的，每一份叫一個光子，其能量為

二、光電效應：

說明了光具有粒子性，同時說明了光子具有能量

1、光電效應現象

紫外光照射鋅板，鋅板的電子獲得足夠的光子能量，掙脫金屬正離子引力，脫離鋅板成為光電子；鋅板因失去電子而帶上正電，於是與鋅板相連的驗電器也帶上正電，金屬箔張開。

2、實驗原理電路圖

3、規律：

① 存在飽和電流

飽和電流：在光電管兩端加正向電壓時，單位時間到達陽極A的光電子數增多，光電流越大；但當逸出的光電子全部到達陽極後，再增加正向電壓，光電流就達到最大飽和值，稱為飽和電流。

②存在遏止電壓

在光電管兩端加反向電壓時，單位時間內到達陽極A的光電子數減少，光電流減小；當反射電壓達到某一值UC時，光電流減小為零，UC就叫「遏止電壓」。

③存在截止頻率

a、 截止頻率的定義：

任何一種金屬都有一個極限頻率ν0，入射光的頻率低於「極限頻率」ν0時，無論入射光多強，都不能發生光電效應，這個極限頻率稱為截止頻率。

b、「逸出功」定義：

電子從金屬表面脫離金屬所需克服金屬正離子的引力所做的最小功。

要發生光電效應，入射光的能量（hν）要大於 「逸出功（W）」 即：

④光電效應的「瞬時性」——因光電效應發生的時間，即為一個光子與一個電子能量交換

的時間，所以不管光強度如何，發生光電效應的時間極短，不超過10-9s。

4、愛因斯坦的光電效應方程：

光電子的最大初動能等於入射光光子的能量減逸出功即：

可見「光電子的最大初動能」與入射光的強度無關，只與入射光頻率有關，圖象如下圖

5、光電效應現象所用到的公式如下：

6、光電效應方程對光電效應現象的解釋如下

①在入射光頻率一定的情況下，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比，也就是

單位時間內被擊出的光電子數與入射光的強度成正比。

②光電子的最大初動能與入射光的強度無關，而只與入射光的頻率有關。頻率越高，光電子的能量就越大。

③入射光的頻率低於的光，無論光的強度如何，照射時間多長，都沒有光電子發射。

④光的照射和光電子的釋放幾乎是同時的

三、康普頓效應：

1、光子與石墨中的電子發生碰撞後，成分中出現波長變長光子的現象。

2、對康普頓效應的解釋：光子與石墨中的電子發生碰撞後，把一部分能量和動量傳遞給了電子。因此，光子的能量和動量都要減小；又所以在散射後光子成分中出現波長變長的光子。

3、意義：說明了光具有粒子性，同時說明了光子具有能量和動量。

四、光的波粒二象性

1、光子數目少時，易表現出粒子性；光子數目多時，易表現出波動性

2、波長越長，越易表現出波動性；波長越短，越易表現出粒子性

3、光子的能量、光子的動量

五、實物粒子的波粒二象性——實物粒子的波動性

1、德布羅意波（物質波）：

任何運動的實物粒子都有一種波長與之對應：

任何粒子都有一種頻率與之對應：

2、實物粒子（電子、質子、中子、分子等）波動性和實驗驗證科學家在實驗室裡，用晶體做了電子束衍射（波的特性）實驗，得到了電子束的衍射圖樣，從而證明了實物粒子也具有波動性。（如圖）

六、概率波：光波和物質波都是概率波

實驗規律：

用光和實物粒子做幹涉實驗，減小入射強度，讓光子或粒子一個一個地通過雙縫，照射時間較短時（入射光子或粒子數較少）得到甲圖的幹涉圖樣（光子或粒子打到屏上的位置沒有規律，充分說明了粒子數少時易表現出粒子性）；當照射時間逐漸增加，圖象由乙逐漸變成丙圖（出現了近波動特徵的明暗相間的條紋，充分說明了粒子數多時易表現出波動性）

說明：

1、並非所有光子或粒子只打到亮條紋處，也有打到暗紋處的，只是打到亮紋處的粒子概率較大——光波和實物波都是概率波。

2、光（或實物粒子）的波動性，是光子（或粒子）本身的屬性，不是由光子（或粒子）間的作用引起的

七、不確定性關係

粒子的位置與動量不可同時被確定，位置的不確定性與動量的不確定性遵守不等式,其中h為普朗克常量。