光的波粒二象性

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光的波粒二象性

光的波动性

笛卡儿提出的两点假说
《折光学》中提出了两种假说。一种假说认为,光是类似于微粒的一种物质;另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用,但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。
笛卡尔
格里马第发现了光的衍射现象
首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念,是光的波动学说最早的倡导者。

胡克提出了“光是以太的一种纵向波”
并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说,胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。
胡克
牛顿用微粒说阐述了光的颜色理论
他认为,光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。
牛顿
惠更斯提出了波动学说比较完整的理论
惠更斯认为,光是一种机械波;光波是一种靠物质载体来传播的纵向波,传播它的物质载体是“以太”;波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论,惠更斯证明了光的反射定律和折射定律,也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。如果说这些理论不易理解,惠更斯又举出了一个生活中的例子来反驳微粒说。如果光是由粒子组成的,那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞,这样一定会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。
惠更斯

牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献,成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高,人们对他的理论顶礼膜拜,重复他的实验,并坚信与他相同的结论

1801年,杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象,从而证明了光是一种波。同年,杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文,分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释,首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。

从而得到了:

杨氏双缝干涉实验

假若光束是由经典粒子组成,将光束照射于一条狭缝,通过狭缝后,冲击于探测屏,则在探射屏应该会观察到对应于狭缝尺寸与形状的图样。可是,假设实际进行这单缝实验,探测屏会显示出衍射图样,光束会被展开,狭缝越狭窄,则展开角度越大。在探测屏会显示出,在中央区域有一块比较明亮的光带,旁边衬托著两块比较暗淡的光带。

**类似地,假若光束是由经典粒子组成,**将光束照射于两条相互平行的狭缝,则在探射屏应该会观察到两个单缝图样的总和。但实际并不是这样,在探射屏显示出一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。

双缝干涉实验

光的粒子性
牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由:第一,光如果是一种波,它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子;第二,冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质,波动说无法解释其原因。另一方面,牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界,并与他的质点力学体系融为一体,为微粒说找到了坚强的后盾。

光的偏振现象和偏振定律的发现
1809年,马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时,他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波,而纵波不可能发生这样的偏振,这一发现成为了反对波动说的有利证据。

光的偏振现象和偏振定律的发现,使当时的波动说陷入了困境,使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。

面对这种情况,杨氏对光学再次进行了深入的研究,1817年,他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法,提出了光是一种横波的假说,比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后,他又建立了新的波动说理论。
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光的偏振现象
干涉和衍射是各种波动都具有的现象,无论是纵波还是横波,都会产生干涉和衍射。因此,我们常常根据干涉或衍射是否能发生来鉴别某种物质或某种运动形式是否具有波动性质。但是,由衍射和干涉的现象无法鉴别某种波动是纵波还是横波。纵波和横波的区别表现在另一类现象上,即偏振现象。

将一根长绳子的一端固定,另一端用手拉紧水平的绳子上下振动,产生横波。波的振动方向和波的传播方向垂直,并且振动方向始终保持在一个平面内。假如我们让绳子穿过一个栅栏,波的传播就会受到栅栏的限制。如果栅栏缝隙的方向与振动方向一致,波能顺利通过栅栏。如果缝隙方向与振动方向垂直,波就被阻挡而不能继续向前传播。

纵波与此不同。纵波的振动沿着波的传播方向,栅栏或类似的障碍无论在哪一个方向,都不会阻止波的传播。

就这方面的性质来看,纵波的振动对于波的传播方向是轴对称的,横波的振动对于波的传播方向不是轴对称的。横波的上述特点就是它的偏振性。
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菲涅耳与阿拉戈建立了光波的横向传播理论
杨氏新提出的关于光是一种横波的理论,从此菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究。1819年,菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验,继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间之后,转向了波动说。1819年底,在非涅耳对光的传播方向进行定性实验之后,他与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论。

光的波粒二象性

1905年3月,爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文他认为对于时间的平均值,光表现为波动;对于时间的瞬间值,光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一,即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。
爱因斯坦


摘自百度百科

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