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《波粒二象性的認(rèn)識(shí)和理解》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫(kù)。
1、波粒二象性的認(rèn)識(shí)和理解第一章波動(dòng)說(shuō)和微粒說(shuō)的提出和發(fā)展光學(xué)是一門最古老的物理學(xué)分支之一。對(duì)于光的本性問(wèn)題，一直是科學(xué)家們關(guān)心和熱衷探討的問(wèn)題。17世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之間的爭(zhēng)論達(dá)到了空前激烈的地步，也就是物理學(xué)史上著名的微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)之爭(zhēng)。1.1波動(dòng)說(shuō)的提出17世紀(jì)中期，物理光學(xué)有了進(jìn)一步發(fā)展。1655年，最先發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象的是意大利波侖亞大學(xué)的數(shù)學(xué)教授弗朗西斯科?格里馬第，是他在觀察光束中的小棍子的影子時(shí)發(fā)現(xiàn)的。據(jù)此他推想光可能是與水波類似的一種流體。隨后，格里馬第設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：讓一束光穿過(guò)兩個(gè)小孔后照到暗室里的屏幕上，這時(shí)得到了有明暗條紋的圖像。他認(rèn)為這種
2、現(xiàn)象與水波的衍射十分類似，因此得出結(jié)論：光是一種能夠作波浪式運(yùn)動(dòng)的流體，光的不同顏色是波動(dòng)頻率不同的結(jié)果?！肮獾难苌洹备拍畋桓窭锺R第首次提出，格里馬第是光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)最早的倡導(dǎo)者。胡克是光的波動(dòng)說(shuō)的支持者。在格里馬第實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，英國(guó)物理學(xué)家羅伯特?胡克重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，他在觀察了肥皂泡膜的顏色后，提出“光是以太的一種縱向波”的假說(shuō)。胡克依據(jù)自己提出的假說(shuō)，認(rèn)為光的顏色是由它的頻率所決定。波動(dòng)說(shuō)的又一支持者，荷蘭著名天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家克里斯蒂安?惠更斯繼承并完善了胡克的觀點(diǎn)，惠更斯認(rèn)為，光是一種機(jī)械波；光波是以“以太”為載體來(lái)傳播的縱向波，其波源即是波面上引起媒質(zhì)振動(dòng)的各個(gè)點(diǎn)。以這個(gè)
3、理論為依據(jù)，惠更斯成功證明了光的反射、折射定律，而且光的雙折射、衍射現(xiàn)象和“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)都得到了很好的解釋。1.2微粒說(shuō)的提出關(guān)于光的本性，光學(xué)大師牛頓是這樣認(rèn)為的：光是由一顆顆像小彈丸一樣的機(jī)械微粒所組成的粒子流，發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進(jìn)入人的眼睛，沖擊視網(wǎng)膜，就引起了視覺(jué)，這就是光的微粒說(shuō)。1666年，牛頓首先做了一個(gè)著名的三棱鏡實(shí)驗(yàn)，讓一束太陽(yáng)光照射過(guò)第一個(gè)三棱鏡后，太陽(yáng)光分解成幾種不同顏色的光譜帶，再將其他顏色的光用一塊帶狹縫的擋板擋住，只允許一種顏色的光再通過(guò)次三棱鏡，結(jié)果只有同種顏色的光射出，因此牛頓得出組成白光的是各種不同
4、顏色的光的結(jié)論。隨后，牛頓通過(guò)實(shí)驗(yàn)把幾種顏色不同的單色光合成復(fù)色光，還通過(guò)計(jì)算各種顏色的單色光的折射率解釋了光的色散現(xiàn)象。1672年,牛頓在他的《關(guān)于光和色的新理論》一文中提出，光可能是球形的物體，這是他微粒說(shuō)提出的初始形態(tài)，并用微粒說(shuō)闡述了光的顏色理論[1]。牛頓的微粒說(shuō)成功地解釋了光的直進(jìn)、反射和折射現(xiàn)象。微粒說(shuō)通俗易懂，對(duì)一些常見(jiàn)的光學(xué)現(xiàn)象又能完美地解釋，因此很快得到了人們的承認(rèn)和支持。1.3波動(dòng)說(shuō)和微粒說(shuō)之爭(zhēng)光的波動(dòng)說(shuō)和微粒說(shuō)之間激烈的爭(zhēng)論維持了三個(gè)世紀(jì)之久，最終以波粒二象性告終。微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)之間的最初的爭(zhēng)論實(shí)際上是由“光的顏色”引起的。格里馬第和胡克都認(rèn)為光的顏色是由其頻
5、率決定的。惠更斯也認(rèn)為光是一種機(jī)械波。但是牛頓則認(rèn)為，物質(zhì)的色彩是不同顏色的光在物體上有不同的反射率和折射率造成的。以胡克和牛頓為代表的兩派之間由此展開(kāi)了漫長(zhǎng)而激烈的波粒之爭(zhēng)。托馬斯?楊在追求真理上并不盲目迷信權(quán)威，1801年，楊氏在發(fā)表的《關(guān)于聲和光的實(shí)驗(yàn)和問(wèn)題》一文中將光和聲進(jìn)行類比：二者在重疊后都有加強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象。他認(rèn)為光是在以太流中以縱波形式傳播的一種彈性振動(dòng)。楊氏在他的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，在白屏上得到的條紋是明暗相間的，從而證明了光的干涉現(xiàn)象。楊氏實(shí)驗(yàn)證明了光是一種波，他是用光的疊加原理來(lái)解釋的。楊氏實(shí)驗(yàn)為光的波動(dòng)說(shuō)的建立奠定了基礎(chǔ)。1809年，法國(guó)物理學(xué)家馬呂斯發(fā)現(xiàn)了光的偏
6、振現(xiàn)象，在進(jìn)一步研究后，他發(fā)現(xiàn)光在傳播時(shí)發(fā)生部分偏振是在光的折射現(xiàn)象中。根據(jù)惠更斯的縱波理論，縱波是不可能發(fā)生部分偏振的。但在1817年，楊氏提出光是縱波的假說(shuō)，比較成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的光的偏振現(xiàn)象，使當(dāng)時(shí)的被人們普遍接受的波動(dòng)說(shuō)陷入了困境。光的偏振現(xiàn)象被認(rèn)為是反對(duì)波動(dòng)說(shuō)的有力證據(jù)，使得對(duì)光的研究偏向微粒說(shuō)的方向發(fā)展。第二章波粒二象性的提出和深化2.1光的電磁理論的建立1865年，麥克斯韋在總結(jié)了從庫(kù)倫、安培到法拉第等人的電磁說(shuō)成就的基礎(chǔ)上，提出了“漩渦電場(chǎng)”和“位移電流”兩個(gè)基本假設(shè)，把電磁現(xiàn)象的規(guī)律概括成一方程組，即麥克斯韋方程組，并由此預(yù)言了電磁波的存在。
7、在麥克斯韋理論中，電磁波的傳播速度等于電荷量的電磁單位與靜電單位之比。1856年韋伯和柯?tīng)杽谒箿y(cè)定出此比值為310740000，與1849年菲佐、1851年傅科所測(cè)定的真空中的光速驚人的接近，據(jù)此，麥克斯韋認(rèn)為光是電磁波。1888年赫茲用諧振回路產(chǎn)生了電磁波，并在與之相分離的回路中接收到電磁波，由此證實(shí)了電磁振蕩在空間的傳播，即電磁波的存在。赫茲利用自己創(chuàng)制的設(shè)備進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，證明電磁波和光一樣，能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射和偏振現(xiàn)象。赫茲實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不僅
