光的粒子性与波动性论文

1、必#叶2咨本科生毕业论文（设计）题目光的波动性与粒子性研究姓名步苗苗学号2011412211院系物理工程学院专业物理学指导教师 孔祥木 职称 教授2015年6月2日曲阜师范大学教务处制 TOC o 1-5 h z 摘要1关键词1Abstract1Key words 1绪论1 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 1光的本质研究1 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 1.1几何光学时代2 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 1.2波动光学时代 2 HYPE

2、RLINK l bookmark45 o Current Document 1.3光的波粒二象性时代2 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 2光的波动性研究3 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 2.1光的干涉 31. 1 定义32. 2 说明32.2.3相十条件 3 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 2.2光的衍射4定义4说明42.2.3衍射条件与特点 4 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 2.3光

3、的干涉和衍射的区别于联系4 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 2.4光的偏振态52.4.1光的偏振现象与光的横波性5光的五种偏振态5 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 2.4.3光在偏振态中的马吕斯定律6 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 3光的粒子性研究6 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 3.1光电效应 63.2康普顿效应 7 HYPERLINK l bookmark93 o Current

4、Document 3光电效应与康普顿效应的区别与联系7 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 致谢8 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 参考文献8光的波动性与粒子性研究物理学专业学生 步苗苗指导教师 孔祥木摘要：光的本质研究贯穿着近代物理学的全部发展过程，从人类产生到现在，人们对于光的 认识不断发展，光的重要性更加突出，人们认识光的过程由简单到复杂，由低级到高级，由 部分到全面，由现象到本质。光的本质越来越清楚。回顾光的发展史，对光的本质不断认识， 从光的粒子说到光的波动说，到今天的光的波粒二象性

5、，本文重点讨论光的粒子性与波动性， 希望对光的本质研究有些许贡献。关键词：光的本质 粒子性 波动性Wave and particle nature of light researchStudent majoring in Physics Bu MiaomiaoTutor Kong XiangmuAbstract： Essence of light throughout the entire development process of modern physics, resulting in up to now, people growing awareness of light, the l

6、ight of the importance of more prominent, it is recognized that the process of light from simple to complex, from lower to higher from a human, the part to the full, to the nature of the phenomenon. Nature of light is becoming increasingly clear. Recalling the history of the development of light, co

7、nstant awareness of the nature of light, the light comes from the particle wave theory of light, to todays wave-particle duality of light, this article focuses on particle properties and wave nature of light, nature study hope to light a slight contribution.Key words: Nature of light； Particle natur

8、e； Wave nature绪论光的波动性早在十七世纪就被发现，从光的干涉、衍射以及光的偏振态 中的马吕斯定律等都支持光的波动性，光的波动说也一直在光的研究中占有重要 地位，但是直到本世纪人类发现了黑体辐射、光电效应等现象却揭示了光的波动 说存在的缺陷，如果只是把光看作波动是不正确的，是存在缺陷的。光的粒子性 的发现突破了经典物理学在微观领域的束缚，打开了新的大门，从而揭示了光具 有粒子性和波动性的双重性质，这种性质就称为光的波粒二象性。1光的本质研究1几何光学时代从16世纪到18世纪近300年，人类建立了光的反射定律和折射定律，费马 发现了费马原理，从17世纪开始，人们发现了与直线传播不相符

9、合的问题，也 就是后来认识到的衍射问题。紧接着牛顿提出了光的粒子说，以光作为一种发光 体放出的微粒，一直走到吸光体，被吸光体吸收。差不多同时，惠更斯则提出光 为某种媒介中传播的一种波，这种媒介称之为“以太”，光的扰动到达的一点可 作为新的扰动中心，以球面波的形式传播下去，这种次级子波的包迹规定了后来 的波前，即行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，而从波阵面上各点 发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面。 这样同样说明了光的反射和折射。但是惠更斯原理没有提到波长的概念，也就无 法说明直线传播和衍射的关系，无法解释光的衍射现象。这就是惠更斯原理存在 的缺陷性。

10、到了菲涅尔，他修正了惠更斯原理，得到了所谓的惠更斯-菲涅尔原理，此 原理不仅能说明直线传播的过程，并能说明牛顿的粒子说不能说明的衍射现象。 菲涅尔还说明了光波不是纵波而是横波。在这一时期，以牛顿为代表的微粒说占据着统治地位，但是随着光的干涉、 衍射和偏振光中的波动现象的发现，以惠更斯，菲涅尔为代表的波动说也初步提 出来，几何光学微粒说向波动光学逐步过渡，人们对于光的认识也不断深入。2波动光学时期到了 19世纪，“杨氏双缝实验”成功测出了光的波长。再之后菲涅尔用杨氏 干涉实验原理对惠更斯原理作出了补充，形成了我们现在所说的惠更斯-菲涅尔 原理，此原理不仅能说明直线传播的过程，并能说明牛顿的粒子说

11、不能说明的衍 射现象，是波动光学的重要原理。1808年马吕斯在人类历史上首先发现了光的 偏振现象，为此托马斯扬提出光是横波的理论解释这一现象。而所谓的“以太” 这种媒介并没有发现，知道法拉第发现光的振动面在磁场中的旋转，揭示了光和 电磁现象的内在联系。麦克斯韦建立了电磁理论，此理论指出光是一种电磁现象。 随后人类验证了此理论的正确性。至此光的电磁理论基本确立，人们认识到光的 本质， 即光是 -种电磁波。3光的波粒二象性时期在本世纪之前，人类对光的本质认识不断深化，认识到光的波动性，且得到 了大量的实验证明。但本世纪初发现的黑体辐射、光电效应等现象揭示了只把光 看作波动的局限性。1900年，普朗

12、克引进了量子概念，并以此解决了黑体辐射 的问题。1905年爱因斯坦的关于光的产生和转化的一个启发性观点提出了 光子的存在，成功解释了光电效应，成为第一个完全肯定光除了已知的波动性之 外还有微粒性的人。普朗克和爱因斯坦的理论揭示了光的微粒性，但并不是否定光的波动性，因 此光不仅具有波动性，还具有微粒性的双重性质，我们把这种性质称之为光的波 粒二象性。在之后，德布罗意建立了物质波学说，他揭示不仅光，每一物质的粒子都既 具有波动性又具有粒子性。汤姆孙电子衍射实验的衍射图样证实了这一结论。这 说明波粒二象性是微观粒子所共有的属性，因此光是一种物质，具有波粒二象性。 下面我们具体研究光波动性和微粒性。2

13、光的波动性研究光的波动性主要由光的干涉和衍射现象表现出来，光的干涉产生干涉条纹， 光的衍射产生衍射条纹，他们表明光在遇到障碍物之后出现的或明或暗的现象， 但是为什么光有时表现为干涉，有时表现为衍射，又有时候干涉与衍射同时存在 呢？下面两节对光的干涉与衍射现象进行了分析.而第三节则讲述偏振态中的马 吕斯定律，看看他是如何说明光的波动性的。1光的干涉2.1.1定义对于满足一定条件的2个或2个以上的光波，在它们相交的区域，各点的光强度与光波单独作用所生成光强度之和可能是极不相同的，有些 地方的光强度近于零，另一些地方的光强度则较各光波单独作用所生强度之和 多，这种现象称为光的干涉。换句话说“两列或几

14、列光波在空间相遇时相互叠加， 在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，称之为光的干涉” 1。2.1.2说明(1)在叠加区域各处的强度如果不完全相同而形成一定的强弱 分布，显示出的图像就是干涉图样。即空间中的干涉叠加后的强度不一定等于产 生干涉的各束光的强度的叠加，结果大于、等于或小于都有可能。通常的独立光源是不相十的。，不同原子发出的光或同一原子在不同时 刻发出的光也是不相干的，但是实际中对光干涉要求并不那么苛刻。因为实际的 干涉现象是大量原子发光的宏观统计平均结果。宏观的干涉现象是大量光子各自 干涉的统计平均结果。相十光的获得。对于普通光源，获得相十光的关键是要

15、保证相位差的 恒定。获得相十光通常采用两种方法：a.波阵面分割法：将同一光源上同一点 或极小区域(可视为点光源)发出的一束光分成两束，让它们经过不同的传播路 径后，再使它们相遇，这时，这一对由同一光束分出来的光的频率和振动方向相 同，在相遇点的相位差也是恒定的，因而是相十光。如，杨氏双缝干涉实验、菲 涅尔双面镜和洛埃镜等都是此类干涉装置。b.分振幅法：一束光线经过介质薄膜 的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法称之为分振幅法，例如薄膜干涉， 利用透明薄膜的上下表面对入射光依次反射，有反射光线在空间相遇形成的干涉 现象，是最简单的分振幅干涉装置。原理就是薄膜的上下反射光是来自于同一入 射光的

16、两部分，两部分之间只是经历了不同的路径而形成了具有恒定相位差的两 束光。光的干涉是如何验证光的波动性的呢？光的干涉现象是牛顿的微粒说无 法解释的。而波动说能完美的解释它，并可由波在空间按一定的相位关系的叠加 来定量的测出，还可以测出干涉图样的光强分布。因此光的干涉是波的相干叠加 的必然结果，它毋庸置疑的肯定了光的波动性。2.1.3相干条件 我们知道满足相十条件的两束光称为相十光，那么两束光 的相十条件是：两束光的频率相同。两束光频率相同或相近叠加后将会出现拍的现象， 这是波发生干涉的必要条件。在相遇点的振动方向几乎沿同一条直线。此条件要求光波必须是矢量 波，如果是标量波这没有这个问题。在观察时

17、间内，在相遇点的两振动的相位差保持不变。这是干涉的稳 定性问题，虽然稳定与许多方面有关。但对于微观客体发射的光波，相位差不变却是相十条件中的重中之重”。2光的衍射2.2.1定义光波遇到障碍物以后会或多或少地偏离几何光学中直线传播定律的现象。几何光学表明，光在均匀媒质中按直线定律传播，光在两种媒质的 分界面按反射定律和折射定律传播。但是，光是一种电磁波，当一束光通过有孔 的屏障以后，其强度可以波及到按直线传播定律所划定的几何阴影区内，也使得 几何照明区内出现某些暗斑或暗纹。总之，衍射效应使得障碍物后空间的光强分 布既区别于几何光学给出的光强分布，又区别于光波自由传播时的光强分布，衍 射光强有了一

18、种重新分布。2.2.2说明(1)光的衍射就由光的波动性决定的，无论有无障碍物，不管障碍物的大小，只不过当障碍物线度和波长可相比拟，衍射现象更明显罢了， 在极限的情况下，光的衍射结果就是直线传播。因此直线传播也是光的波动本性 的结果，它与光的衍射是不对立的，而是完全统一于光的波动性。惠更斯利用波振传播的原理，得出光在传播过程中碰到障碍物会产生偏离 直线传播的现象，但由此产生光强大小的分布问题是由菲涅耳在惠更斯原理的基 础上提出次波相十的理论解决的，形成了惠更斯一一菲涅耳原理.惠更斯原理内 容如下：任何时刻波面上的每一点都可作为次波波源，各自发出球面次波。在以 后的任何时刻，所以这些次波的波面的包

19、络形成整个波在该时刻的新的波面。根 据这一原理可以解释光的直进性，光的反射和折射。而且惠更斯原理对于光的衍 射可以作定性说明。但是惠更斯原理不涉及波长、振幅和相位，因而只能定性说 明在障碍物边缘波偏离直线传播的现象，无法定量计算，不能更精确的解释衍射 现象。惠更斯-菲涅尔原理。菲涅尔在惠更斯的基础上补充了描述次波的基本特征， 增加了相位、振幅的描述，运用“次波叠加”的原理，发展成惠更斯-菲涅尔原 理。表述如下：波面上每一面积元都可以看出新的波源，他们都发出次波。波面 前方空间某一点的振动可以由波面上所有面积元所发出的次波在该点叠加后的 和振幅来表示。2.2.3衍射条件与特点光的衍射条件是：由于

20、光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，所以当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细 丝时，可以清楚地看到光的衍射。用单色光照射时效果好一些，如果用复色光， 则看到的衍射图案是彩色的。光的衍射特点：光束在衍射屏上的某一方位受到 限制，则远处屏幕上的衍射强度就沿该方向扩展开来。若光孔线度越小，光束 受限制得越厉害，则衍射范围越加弥漫。理论上表明光孔横向线度p与衍射发 散角 e之间存在反比关系：p e a。3光的干涉和衍射的区别和联系对于光的干涉，缝宽远小于波长的情况下，每个小缝相当于一个线光源，它 发出的次波的振幅可认为是均匀的，光的干涉强调的是有限的几列波的相十叠 加。而在光的衍射中，

21、缝宽与波长可比拟。波阵面上的无数个点，有无数个次波， 且都满足相干条件，因此光的衍射强调的是无限多个子波的相十叠加。因此说， 干涉是有限束光的相十叠加结果，而衍射则是无限束光的叠加结果。“光的衍射和干涉现象都是重要的光学现象，它们既有区别又有联系.光的 干涉和衍射都是建立在波动光学基础之上的概念，都证明了光的波动性，只有波 可以发生干涉和衍射现象，它们之间不存在实质性的差别，都是次波相干叠加所 引起的结果.它们的区别仅在于干涉是有限个相十波的叠加，而衍射则是无限多个相十波的叠加”。2. 4光的偏振态2.4.1光的偏振现象与光的横波性光的偏振振动方向对于传播方向不对称性叫做偏振。光波电矢量振动方

22、向的空间分布对于光的传播方向失去对称性的 现象叫做光的偏振。当光线以此通过两个偏振片P1和P2, P1固定不动，以光 线为轴转动P2。我们会发现随着P2的取向不同，透射光的强度发生变化。会出 现光强极大和消光现象。因此我们知道偏振片所起的作用反映了它上面也存在着 一个特殊方向，是光波中的振动能顺利可以通过。这个实验就反映了光波的本质， 即光的振动方向与传播方向垂直，即光波是横波。历史上马吕斯和许多科学家都 证实了光波中沿横向振动的物理量是电场矢量和磁场矢量的相互作用。光的横波 性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间中电矢量还 可能有各式各样的振动状态，我们称之为光的偏振态

23、或偏振结构，大体分为五种： 自然光、线偏振光、圆偏振光、部分偏振光和椭圆偏振光。2.4.2光的五种偏振态（1）自然光：“入射光中包含了所有方向的横振动，而平均说来他们对于光的传播方向形成轴对称分布，哪个横振动方向也不 比其他方向更为优越，具有这种特点的光称为自然光” 4。（2）线偏振光：“透过偏振片的光线中只剩下了与其透振方向平行的振动。这种只包含单一振动方向的光叫做线偏振光”。（3）部分偏振光：仍采用上述所用装置，其中偏振片P1用来产生线偏振光，按 照其作用，我们将之称为起偏器，偏振片P2用来检验线偏振光，叫做检偏器。 当转动检偏器，投射光既不像自然光那样不变，也不像线偏振光那样出现强度极

24、大和消光。其强度每转90交替出现极大和极小，但强度极小不是0即不消光， 从内部结构看，这种光的振动虽然也是各方向都有但不同方向的振幅大小不同， 具有这种特点的光叫做部分偏振光。（4）圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的 特殊情形。虽然在看上去，圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆偏振光的 偏振方向是按一定规律变化的，它的方向以角速度w匀速旋转，而自然光的偏振 方向变化是随机的，没有规律的。（5）椭圆偏振光：电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光叫椭圆偏振 光。2.4.3线偏振态中的马吕斯定律线偏振光通过一个偏振片后，投射光强I与入射光强I0之间满足:I=loc

25、os2x 马吕斯定律 其中a ：入射线偏振光振动方向与偏振片偏振化方向的夹角证：设入射线偏振光的振幅A0I= I cos2a0I A 2=cos2aI0 A 2注意:只对入射线偏振光成立若入射光是自然光，I=0.5I0当角为90时，通过检偏器后的强度为0。马吕斯验证了光的横波性，光波的电 矢量与光的传播方向垂直。3光的粒子性研究光电效应和康普顿效应是物理学科中的一项非常重要的内容，它们作为光的 粒子性的证明，在建立量子论学说的过程中发挥了不可或缺的作用。但是如何理 解两种效应呢，将在下面就二者概念，联系和区别阐述，从而理解光的粒子性。1 光电效应光电效应首先是由赫兹在1887年发现的。在光的照

26、射下，某些材料（一般 为金属）中的电子会被光子激发出来而形成电流，这样形成的电流叫做光电流， 这种现象则被称做光电效应。金属中所逸出的电子叫光电子，这一名字只是表示 他是在光的照射下从金属表面飞出的，与通常电子没有区别。大量研究证明，光 电效应的规律可归为以下几点：（1）产生光电效应的条件是“入射光的频率必须大于金属的极限频率，不 同的金属有不同的临界值，假设入射光的频率小于极限频率，那么不管入射光强 度多大，照射时间多长，都无法产生光电效应”。（2）从金属中释放的电子出动能与光的强度无关，与光的频率有关。电子 的最大初动能随入射光频率的增大而线性增大。（3）光电子的反射速度与光的照射几乎是瞬

27、时的，无论光照强弱，光电子 的响应时间不会超过10的负九次方秒。（4）当光电子的入射光频率大于金属极限频率时，饱和光电流与入射光的 强度成正比。2康普顿效应在1922年至1923年间康普顿发现当波长很短的X射线通过某种物质时，散射 光除了原有的波长入0的射线外，还有较长波长A的X射线的散射现象，这就是 康普顿效应。后来的科学研究证明，其他射线同样可以出现康普顿效应。总结来 说，康普顿效应有以下几点规律：（1）康普顿效应中波长的改变与散射角（散射线与入射线之间的夹角）0的 关系由康普顿散射公式确定，即入=入一入0=入0（ 1 cos0 ）， 对于同一散射物质，波长差入随0角增大而增大，与入射光波

28、长无关.（2）“对于不同的散射物质，在同样的散射方向上，波长差入相同，但散 射波的强度随原子序数的增大而减少，即随着散射物质原子序数的增加，康普顿效应变得不显著”。3光电效应与康普顿效应的区别与联系光电效应和康普顿效应从物理本性上讲是一样的，二者都反映出光的粒子 性，是光的波动论所不能解释的，二者具有相似性，但是二者也存在着差异。光电效应和康普顿效应的相似性表现在：它们的研究客体不是整个入射光束 与散射物质，而是入射光束中的某些光子与原子系统的相互激发，仅是因为入射 光子的能量不同而产生的不一样效果。光电效应主要是激发出电子，而康普顿效 应主要是产生波长发生变化的散射光束。且光电效应和康普顿效应都是在光子假 设的基础的成立的，在作用过程中同样遵守能量守恒定律。光电效应和康普顿效应的区别表现在：“在光电效应中，入射光为波长较长 的可见光，其光子的能量较低，因而只能与金属表面的电子相互作用，这种作用 的实质是光子与电子的完全非弹性碰撞。结果，光子把全部的能量传递给电子而 自身则湮灭；电子获得光子的全部能量,一部