二、波粒二象性

2012-05-01 13:55阅读：

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二、波粒二象性
文/785119718
一、光的波粒二象性
1、光是粒子
在17世纪，牛顿就已经对光做了一些研究。它认为，光是由粒子构成的，并用这个观点很好地解释了光在均匀介质中沿直线传播等问题。
2、光是波
后来，在

19世纪后叶，麦克斯韦又提出了电磁学理论，并认为光就是电磁波。用波特有的衍射、干涉现象很好地证明了这个观点。
从此，对于光到底是粒子还是波的问题争论了很长时间。
3、爱因斯坦的解释

光子的动质量：
由公式E=hv、E=mc^2可得，光子的质量为：
m=hv/(c^2)
其中，m是光子的动质量；h是普朗克常量；v是频率；c是光速。
这个公式可以计算光子的动质量。
由于光子不可能静止，所以光子没有静质量。

在1905年3月，爱因斯坦在论文《关于光的产生和转变的一个启发性观点》中提出了光量子的概念，后来，他把光量子改名为光子。爱因斯坦也因这篇论文而获得1921年诺贝尔物理学奖。在他的理论中，波可以看成粒子，由公式（E：能量； p：动量；λ：波长。）可以进行转化。他也提出了光子具有动质量的概念。

4、简单解释
事实上，光的粒子和波的特性可以这样看待：
首先，量子力学认为，能量只能是一份一份发射的，即发射的能量是不连续的，所以光的最小的一份能量可以看成这样一组波（如图 3.2.1）：

这组波被称为波包，它作为一个整体向外传播，其性质类似于一个粒子。
5、结论：光具有波粒二象性
由此，我们提出这样一个概念：光（电磁波）具有波粒二象性。在某些情况下，它表现出粒子的性质（如在大尺度上直线传播、光的反射），在某些情况下，它表现出波的性质（乳光的干涉和衍射）。
但是，要注意的是，你不能问：“光在本质上到底是粒子还是波？”因为这个问题不成立。
6、理解
为了理解这个性质，我举这样一个例子：
大家一定看过这样一幅画：

这幅画上画着的是一个花瓶还是两张脸呢？从不同的角度观察，会有不同的结果：观察白色部分，它是一个花瓶，观察黑色部分，它是两张脸。要问他本质上到底是花瓶还是脸，这个问题没有意义，因为观察角度不同，会得到不同的现象。

二、物质的波粒二象性
1、物质普遍具有波粒二象性
波粒二象性并不是光特有的，事实上，所有物体都有波粒二象性，但宏观物体由于质量太大，把它看成波时波长太小，甚至连现有的最紧密的仪器都测不出来。这么小的波长可以忽略不计，所以对宏观物体只需用经典力学计算就已经足够精确了（特殊情况下（如强引力、高速）要用到相对论，见第二章《四、相对论简介》）。
为了便于做其他物体的波粒二象性实验，我们最好找一种质量极小的物体来做，这样，它的波长才足够长，便于实验。电子是一个很好的选择。

2、电子的双缝实验
由于电子的质量很小，所以把电子看成波时的波长足够大（但其实也非常小，只是能够被探测而已），能让我们做颜色和干涉实验。我们同样用双缝实验来验证其波粒二象性。
类似光的双缝实验，我们把光换成电子，再来做这样一个实验。
如图3.2.3，在一块挡板上（不要考虑它是什么材料做的），设置两个狭缝，

挡板右侧放一块光屏，当有光子打到这块光屏上时，光屏上在该处会出现一个小亮点（也不要考虑光屏是什么材料做的）。
实验一
现在用一块板把有双缝的挡板遮住，使我们无法看到挡板的情况，这一点要特别注意，我们无法看到挡板。至于为什么要这样做，到最后你将会明白。
现在在挡板左侧向双狭缝发射一束电子（越多越好），我们只记录通过狭缝的电子在光屏上产生的亮点，但我们不知道电子是从哪个狭缝通过的，因为挡板被遮住了。
如果电子是粒子，没有表现出波的特性，那么电子的轨迹与光屏上的两点排布应该是这样的（如图3.2.4）：

而事实上，光屏上的亮点排布是这样的（图3.2.5）：

这说明电子却是表现出了波的特性。
但这是一束电子一起射向狭缝的，如果电子一个一个发射，光屏上会出现什么情况呢？
实验二
现在我们一个一个地发射电子，记录下通过狭缝的电子在光屏上留下的亮点，要注意的是，挡板仍然被遮住，我们仍不知道电子是从哪个狭缝通过的。当发射了几百、几千、几万个电子后，把每次发射时光屏上的情况叠加起来，看到的情况仍是图3.2.5所示的情形！波的特性仍然存在！（如图3.2.6）

为什么当电子一个一个发射时，仍能表现出波的性质呢？难道每个电子间有联系，它们知道互相应该落在那里，从而产生干涉条纹？
实验三
实验一和实验二我们都不知道电子从哪个狭缝通过，现在我们拿掉那块板，观察电子究竟从哪个狭缝中通过的。再一个一个电子发射。
现在，我们很清楚地知道电子从哪个狭缝中通过，那光屏上的结果如何呢？如图3.2.7：

干涉条纹消失了！电子表现出粒子的性质。

3、总结 概率波
为什么当我们去观察电子从哪个狭缝中通过对的时候，电子就无法表现出波的性质，难道是我们的观察干扰了粒子的行为？科学界对此现象仍无法解释。
但有一点可以知道，这里的“波”的性质并不是电子成了波，而是电子出现在某一位置的概率，如屏幕上的现象（如图3.2.8）。这种波称为概率波。