詮釋“使光子一個一個地通過狹縫”

許國梁,劉祖萍,許友文

（四川職業(yè)技術(shù)學院，四川 遂寧 629000）

詮釋“使光子一個一個地通過狹縫”

許國梁,劉祖萍,許友文

（四川職業(yè)技術(shù)學院，四川 遂寧 629000）

論述了光的波粒二象性，并應用光的波粒二象性，詮釋了“使光子一個一個地通過狹縫”這一物理模型．作為微觀客體的光子具有波粒二象性，這是光的本性的反映，是對光的認識的深化．

光子；波粒二象性；狹縫；統(tǒng)計規(guī)律

1 光的波粒二象性

光在傳播過程中顯示出波動性.光的波動說圓滿地解釋了光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象.麥克斯韋電磁理論建立之后，波動說取得了完全的勝利.與此同時，光與物質(zhì)的相互作用時顯示出粒子性，光量子或光子的假設成功地解釋了黑體輻射、光電效應和康普頓效應.這說明電磁波（或光）是由光子組成的，它傳播的是光子流，光子能量和動量分別為

將光子視為微觀粒子，說明光具有粒子性；另一方面，從光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象中，說明光又具有波動性．這樣，光就具有粒子和波動的雙重性質(zhì)，稱之為光的波粒二象性．

光的粒子性所說的粒子并不是經(jīng)典力學中的質(zhì)點，這種質(zhì)點的運動服從牛頓力學的規(guī)律；而光子的粒子性是指它是由光子組成的，光子的能量和動量分別由（1）、（2）式?jīng)Q定．這兩式說明光與物質(zhì)相互作用時交換的能量是一份一份的，即量子化的．一份就是一個光子，或者只能是這一份的整數(shù)倍，不能取其間的任意值．即光子或者全被吸收或者全沒被吸收．這就是光子粒子性的實質(zhì)．光子的粒子性并不是微粒說的復合，二者有本質(zhì)的區(qū)別．光子的粒子性除“粒子”一詞與經(jīng)典物理學中的“質(zhì)點”有相似之處（即皆指可不計物體的大小和形狀而視為一個點）外，其余性質(zhì)都有原則性的區(qū)別．例如，光子與經(jīng)典質(zhì)點一樣，都具有能量，但它的能量卻是量子化的；光子也有質(zhì)量，但它的靜止質(zhì)量卻為零．

光的波粒二象性，實質(zhì)上是光子的波粒二象性．光子具有粒子性，而它的能量和動量又與波長或頻率通過普郎克常數(shù)緊密聯(lián)系在一起．所以，作為微觀客體的光子具有波粒二象性，這是光的本性的反映，是對光的認識的深化．隨著人類的認識范圍不斷擴展，不可能直接感知的事物出現(xiàn)在我們面前.在這種情況下我們就要設想一種模型，盡管以日常經(jīng)驗來衡量，這個模型的行為十分古怪，但是只要能與實驗結(jié)果一致，它就能夠在一定范圍內(nèi)正確代表所研究的對象． 光的波粒二向性就是一個典型的例子．

2 光子的雙縫干涉實驗

光子是一種粒子，它和物質(zhì)的作用是“一份一份”地進行的．圖1是用很弱的光做雙縫干涉實驗時的照片，可理解為“使光子一個一個地通過狹縫”．圖1乙的曝光時間最短．圖1（丁）的曝光時間最長．感光膠片放在光屏的位置，圖中的白點是光子落在膠片上的痕跡． 這些照片清楚地顯示了光的粒子性．圖1還告訴我們，當光子的數(shù)量很多時（如圖1丙和丁），我們無法把它們區(qū)分開，因此看起來是連續(xù)的．

再看光的波動性．單個光子通過雙縫后的落點無法預測．如圖1乙．但是研究很多的光子打在膠片上的位置，我們就可以發(fā)現(xiàn)出規(guī)律性：光子落在某些條形區(qū)域內(nèi)的可能性較大，如圖1丙、丁，恰好，這些條形區(qū)域正是某種波通過雙縫后發(fā)生干涉的振幅加強的區(qū)域．這個現(xiàn)象表明，光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的大小（概率），可以用波動規(guī)律來描述．所以我們說光是一種波，并且在物理學中把光波叫做概率波．

3 結(jié)論

綜上所述，通常所說的“使光子一個一個地通過狹縫”是指使光弱到只能是一個一個的光子通過狹縫，正如使一個一個的微粒進入概率箱一樣，以便討論微粒的統(tǒng)計規(guī)律． 值得注意的是這一個一個的光子并不是指彼此“孤立”的單個單個的光子，而是處于同樣環(huán)境（如同樣的儀器或同樣的光子）中的大量光子中的一個光子． 這正如同種微粒進入同一個概率箱一樣．所以，這一個一個的光子通過狹縫后，曝光時間短（光子數(shù)少）時，底片上只出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點子，那些點子是光子打在底片上形成的．表現(xiàn)出粒子性；曝光時間長（大量光子）時，底片上就出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，就像用強光經(jīng)短時間照射后產(chǎn)生的一樣． 遵循必然的統(tǒng)計規(guī)律．因此，可以把光的波動性看做是大量的處于同樣環(huán)境中的光子運動的統(tǒng)計規(guī)律．

[1]梁紹榮，劉昌年，盛正華．普通物理學（第五分冊）//近代物理學[M]．第2版.北京：高等教育出版社，1994：56-59.

[2]甄長蔭．近代物理學（上冊）[M]．北京：北京師范大學出版社，1987．

[3]胡素芬．近代物理基礎[M]．杭州：浙江大學出版社，1988．

[4]人民教育出版社物理室．物理（第三冊）[M]．第2版．北京：人民教育出版社，2006．

[5]人民教育出版社物理室．高級中學課本物理（第二冊）（必修）[M]．北京：人民教育出版社，1990．

責任編輯：張隆輝

O43

A

1672-2094(2014)05-0157-02

2014-03-13

許國梁（1977-），男，四川遂寧人，四川職業(yè)技術(shù)學院藝體系講師.

劉祖萍（1967-），女，四川瀘州人，四川職業(yè)技術(shù)學院網(wǎng)電教學部副教授.