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●備課資料 2019-2020年高中物理（人教大綱版）第三冊(cè) 第二十一章 電子論初步 二、光的波粒二象性(備課資料) 18世紀(jì)末，在德國(guó)自然哲學(xué)思潮的影響下，人們的思想逐漸解放.英國(guó)著名物理學(xué)家托馬斯楊開始對(duì)牛頓的光學(xué)理論產(chǎn)生了懷疑.根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，楊氏于1800年寫成了論文《關(guān)于光和聲的實(shí)驗(yàn)和問(wèn)題》.在這篇論文中，楊氏把光和聲進(jìn)行類比，因?yàn)槎咴谥丿B后都有加強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象。他認(rèn)為光是在以太流中傳播的彈性振動(dòng)，并指出光是以縱波形式傳播的.他同時(shí)指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的.在經(jīng)過(guò)百年的沉默之后，波動(dòng)學(xué)說(shuō)終于重新發(fā)出了它的吶喊；光學(xué)界沉悶的空氣再度活躍起來(lái).同年，楊氏在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的《哲學(xué)會(huì)刊》上發(fā)表論文，分別對(duì)“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)和自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行解釋.首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律.1803年，楊氏寫成了論文《物理光學(xué)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算》.他根據(jù)光的干涉定律對(duì)光的衍射現(xiàn)象作了進(jìn)一步的解釋，認(rèn)為衍射是由直射光束與反射光束干涉形成的.雖然這種解釋不完全正確，但它在波動(dòng)學(xué)說(shuō)的發(fā)展史上有著重要意義.1804年，這篇論文在《哲學(xué)會(huì)刊》上發(fā)表.1807年，楊氏把他的這些實(shí)驗(yàn)和理論綜合編入了《自然哲學(xué)講義》.但由于他認(rèn)為光是一種縱波，所以在理論上遇到了很多麻煩.他的理論受到了英國(guó)政治家布魯厄姆的尖刻的批評(píng)，被稱作是“不合邏輯的”“荒謬的”“毫無(wú)價(jià)值的”.雖然楊氏的理論以及后來(lái)的辯駁都沒(méi)有得到足夠的重視、甚至遭人毀謗，但他的理論激起了牛頓學(xué)派對(duì)光學(xué)研究的興趣.1808年，拉普拉斯用微粒說(shuō)分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動(dòng)說(shuō).1809年，馬呂斯在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象.在進(jìn)一步研究光的簡(jiǎn)單折射中的偏振時(shí)，他發(fā)現(xiàn)光在折射時(shí)是部分偏振的.因?yàn)榛莞乖岢鲞^(guò)光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為了反對(duì)波動(dòng)說(shuō)的有力證據(jù).1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律 .光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的波動(dòng)說(shuō)陷入了困境，使物理光學(xué)的研究更朝向有利于微粒說(shuō)的方向發(fā)展.面對(duì)這種情況，楊氏對(duì)光學(xué)再次進(jìn)行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說(shuō)法，提出了光是一種橫波的假說(shuō)，比較成功的解釋了光的偏振現(xiàn)象.吸收了一些牛頓學(xué)派的看法之后，他又建立了新的波動(dòng)說(shuō)理論.楊氏把他的新看法寫信告訴了牛頓學(xué)派的阿拉戈.1817年，巴黎科學(xué)院懸賞征求關(guān)于光的干涉的最佳論文.土木工程師菲涅耳也卷入了波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之間的紛爭(zhēng).在1815年菲涅耳就試圖復(fù)興惠更斯的波動(dòng)說(shuō)，但他與楊氏沒(méi)有聯(lián)系，當(dāng)時(shí)還不知道楊氏關(guān)于衍射的論文，他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強(qiáng)度.事實(shí)上他的理論與楊氏的理論正好相反.后來(lái)阿拉戈告訴了他楊氏新提出的關(guān)于光是一種橫波的理論，從此菲涅耳以楊氏理論為基礎(chǔ)開始了他的研究.1819年，菲涅耳成功的完成了對(duì)由兩個(gè)平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進(jìn)行的光的干涉實(shí)驗(yàn)，繼楊氏干涉實(shí)驗(yàn)之后再次證明了光的波動(dòng)說(shuō).阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)向了波動(dòng)說(shuō).1819年底，在菲涅耳對(duì)光的傳播方向進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)之后，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論.1882年，德國(guó)天文學(xué)家夫瑯和費(fèi)首次用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象.在他之后，德國(guó)另一位物理學(xué)家施維爾德根據(jù)新的光波學(xué)說(shuō)，對(duì)光通過(guò)光柵后的衍射現(xiàn)象進(jìn)行了成功的解釋.至此，新的波動(dòng)學(xué)說(shuō)牢固的建立起來(lái)了.微粒說(shuō)開始轉(zhuǎn)向劣勢(shì). 隨著光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)的建立，人們開始為光波尋找載體，以太說(shuō)又重新活躍起來(lái).一些著名的科學(xué)家成為了以太說(shuō)的代表人物.但人們?cè)趯ふ乙蕴倪^(guò)程中遇到了許多困難，于是各種假說(shuō)紛紛提出，以太成為了19世紀(jì)的眾焦點(diǎn)之一.菲涅耳在研究以太時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是，橫向波的介質(zhì)應(yīng)該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎么能不干擾天體的自由運(yùn)轉(zhuǎn)呢.不久以后泊松也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動(dòng)中必然要有縱向振動(dòng)，這與新的光波學(xué)說(shuō)相矛盾.為了解決各種問(wèn)題，1839年柯西提出了第三種以太說(shuō)，認(rèn)為以太是一種消極的可壓縮性的介質(zhì).他試圖以此解決泊松提出的困難.1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質(zhì)進(jìn)行類比，試圖說(shuō)明有些物質(zhì)既硬得可以傳播橫向振動(dòng)又可以壓縮和延展——因此不會(huì)影響天體運(yùn)動(dòng).1887年，英國(guó)物理學(xué)家麥克爾遜與化學(xué)家莫雷以“以太漂流”實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在.但此后仍不乏科學(xué)家堅(jiān)持對(duì)以太的研究.甚至在法拉第的光的電磁說(shuō)、麥克斯韋的光的電磁說(shuō)提出以后，還有許多科學(xué)家潛心致力于對(duì)以太的研究.19世紀(jì)中后期，在光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的論戰(zhàn)中，波動(dòng)說(shuō)已經(jīng)取得了決定性勝利.但人們?cè)跒楣獠▽ふ逸d體時(shí)所遇到的困難，卻預(yù)示了波動(dòng)說(shuō)所面臨的危機(jī).1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，光的粒子性再一次被證明！20世紀(jì)初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學(xué)說(shuō).1921年，愛因斯坦因?yàn)椤肮獾牟６笮浴边@一成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1921年，康普頓在試驗(yàn)中證明了X射線的粒子性.1927年，杰默爾和后來(lái)的喬治湯姆森在試驗(yàn)中證明了電子束具有波的性質(zhì).同時(shí)人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質(zhì).在新的事實(shí)與理論面前，光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕. 光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)從17世紀(jì)初笛卡兒提出的兩點(diǎn)假說(shuō)開始，至20世紀(jì)初以光的波粒二象性告終.前后經(jīng)歷了三百多年的時(shí)間.牛頓、惠更斯、托馬斯、楊、菲涅耳等多位著名的科學(xué)家成為這一論戰(zhàn)雙方的主辯手.正是他們的努力揭開了遮蓋在“光的本質(zhì)”外面那層撲朔迷離的面紗. 經(jīng)過(guò)三個(gè)世紀(jì)的研究，我們得出了光具有波粒二象性的結(jié)論，然而隨著科學(xué)的不斷向前發(fā)展，在光的本性問(wèn)題上是否還會(huì)有新的觀點(diǎn)、新的論據(jù)出現(xiàn)呢？波粒二象性真的是最后結(jié)果嗎？群星璀璨的科學(xué)史上，不斷有新星劃破長(zhǎng)空，不斷有陳星殞墜塵埃，到底哪一顆是恒星、哪一顆是流星呢？