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摘 要：光是一种既有波动性又有粒子性的物质，光的波动性可以通过光的干涉和衍射实验得到证实，而光的微粒性也能通过黑体辐射和光电效应等实验进行解释，从而验证了光的波粒二象性。
关键词：杨氏双缝干涉；黑体辐射；光电效应；逸出功
光既有波动性又有粒子性，早在十七世纪，光的波动性就被光的干涉和衍射实验所证实，而光的电磁理论进一步肯定了光的波动性，但对于光电效应和黑体辐射问题经典理论却无法解释，只能通过普朗克和爱因斯坦提出的光的微粒性理论才能得以完美地解决，从而证实了光除了具有波动性之外还具有粒子性的特征。
一、光的波动性
如图1所示为杨氏双缝干涉实验原理，在垂直于纸面的不透明屏[A]上，有两条相互平行的狭缝，两条狭缝之间的距离为[d]，屏[B]和屏[A]平行，且两屏之间的距离[D=d]。光源[S]发出的光线经狭缝[S1]和[S2]之后，在屏[B]上产生光的干涉图样。光波穿过狭缝[S1]和[S2]到达[P]点的方程用[E1]和[E2]表示，则：
二、光的粒子性
（一）黑体辐射
黑体辐射问题所研究的是物体的辐射与吸收处于平衡状态时能量密度按波长的分布规律。我们知道，所有物体都会向外发射出热辐射，而对于外来的热辐射，物体会有反射和吸收的作用，如果一个物体能把投射在它上面的辐射全部吸收而无反射，我们就把这样物体称为黑体，例如，在一个空腔内，当辐射和吸收处于平衡时，腔壁单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等，这个空腔就可以看作为黑体。通过大量的实验表明，黑体处于平衡时辐射能量密度按波长分布的曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度有关，而与黑体的形状及构成材料无关，对此，许多人试图利用经典理论推导黑体辐射的能量密度分布公式，但均未成功。
直到1900年，普朗克引进量子概念之后，黑体辐射问题才得以解决，普朗克假定黑体以能量子[hv]为能量单位，不连续地发射和吸收频率为[v]的辐射。在这个假设的基础上，普朗克得到了与实验结果非常符合的黑体辐射公式：
[ρvdv=8πhv3c3×1ehvkT-1dv]
上式中，[h]是普朗克常量，[ρvdv]是黑体内频率在[v]到[v+dv]之间的辐射能量密度，[c]是光速，[k]是玻尔兹曼常数，[T]是黑体的绝对温度。
（二）光电效应
光电效应是指光照射到金属上时，就会有电子从金属中逸出的现象，逸出的电子称为光电子。实验证明，只有光的频率大于一定的数值时，光电子才会发射出来，如果光的频率低于这个数值，无论光的强度多大、照射时间多长，都不会有光电子从金属中逸出。光电子的能量只与光的频率有关，频率越高，光电子的能量越大，而与光的强度无关，光的强度只影响光电子的数量，光的强度增大，从金属中逸出的光电子数目就会增多。经典理论无法合理地解释光电效应的这些规律。
爱因斯坦认为，电磁辐射在被发射和吸收时，以微粒的形式出现，其能量为[hv]，且这种微[hv]粒以光速[c]在空间中运动。当光照射到金属表面时，能量为[hv]的光子被金属中电子吸收，电子吸收的能量一部分用来克服金属表面对它的吸引力，另一部分能量转化为电子脱离金属表面后的动能，其能量关系式为：
[12μv2m=hv-W0]
式中[μ]是电子的质量，[vm]是电子逸出后的速度，[W0]是电子逸出需要克服金属表面的吸引所做的功，称为逸出功。如果电子吸收的能量[hv]小于[W0]，则电子不能从金属表面脱出，也就不会有光电子产生，光的频率决定了光子的能量，光子的能量被电子吸收后，就决定了电子能不能从金属表面脱出，而光的强度只能决定光电子的数目，光子越多，产生的光电子就越多。这样经典理论无法解决的光电效应问题得到了完满的解释。
根据相对论理论，可以得到光子的能量和动量的表达式：
[E=hv=hω]④
[P=hvcn=hλn=hk]⑤
式中[n]表示沿光子运动方向的单位矢量，[ω=2πv]为角频率，[λ]为波长，[k]为波矢，④和⑤式把光的波动性和粒子性紧密地联系起来，等式左边为动量和能量，是用来描述粒子状态的，等式右邊含有角频率和波长，则是用来描述波的特性的。根据以上理论和实验分析，验证了光既有波动性，又具有粒子性的波粒二象性结论。
参考文献：
[1]周世勋主编.量子力学教程[M].北京：高等教育出版社，2003（5）：5
[2]叶伟国、余国祥.大学物理[M].北京：清华大学出版社，2012（12）：383
关键词：杨氏双缝干涉；黑体辐射；光电效应；逸出功
光既有波动性又有粒子性，早在十七世纪，光的波动性就被光的干涉和衍射实验所证实，而光的电磁理论进一步肯定了光的波动性，但对于光电效应和黑体辐射问题经典理论却无法解释，只能通过普朗克和爱因斯坦提出的光的微粒性理论才能得以完美地解决，从而证实了光除了具有波动性之外还具有粒子性的特征。
一、光的波动性
如图1所示为杨氏双缝干涉实验原理，在垂直于纸面的不透明屏[A]上，有两条相互平行的狭缝，两条狭缝之间的距离为[d]，屏[B]和屏[A]平行，且两屏之间的距离[D=d]。光源[S]发出的光线经狭缝[S1]和[S2]之后，在屏[B]上产生光的干涉图样。光波穿过狭缝[S1]和[S2]到达[P]点的方程用[E1]和[E2]表示，则：
二、光的粒子性
（一）黑体辐射
黑体辐射问题所研究的是物体的辐射与吸收处于平衡状态时能量密度按波长的分布规律。我们知道，所有物体都会向外发射出热辐射，而对于外来的热辐射，物体会有反射和吸收的作用，如果一个物体能把投射在它上面的辐射全部吸收而无反射，我们就把这样物体称为黑体，例如，在一个空腔内，当辐射和吸收处于平衡时，腔壁单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等，这个空腔就可以看作为黑体。通过大量的实验表明，黑体处于平衡时辐射能量密度按波长分布的曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度有关，而与黑体的形状及构成材料无关，对此，许多人试图利用经典理论推导黑体辐射的能量密度分布公式，但均未成功。
直到1900年，普朗克引进量子概念之后，黑体辐射问题才得以解决，普朗克假定黑体以能量子[hv]为能量单位，不连续地发射和吸收频率为[v]的辐射。在这个假设的基础上，普朗克得到了与实验结果非常符合的黑体辐射公式：
[ρvdv=8πhv3c3×1ehvkT-1dv]
上式中，[h]是普朗克常量，[ρvdv]是黑体内频率在[v]到[v+dv]之间的辐射能量密度，[c]是光速，[k]是玻尔兹曼常数，[T]是黑体的绝对温度。
（二）光电效应
光电效应是指光照射到金属上时，就会有电子从金属中逸出的现象，逸出的电子称为光电子。实验证明，只有光的频率大于一定的数值时，光电子才会发射出来，如果光的频率低于这个数值，无论光的强度多大、照射时间多长，都不会有光电子从金属中逸出。光电子的能量只与光的频率有关，频率越高，光电子的能量越大，而与光的强度无关，光的强度只影响光电子的数量，光的强度增大，从金属中逸出的光电子数目就会增多。经典理论无法合理地解释光电效应的这些规律。
爱因斯坦认为，电磁辐射在被发射和吸收时，以微粒的形式出现，其能量为[hv]，且这种微[hv]粒以光速[c]在空间中运动。当光照射到金属表面时，能量为[hv]的光子被金属中电子吸收，电子吸收的能量一部分用来克服金属表面对它的吸引力，另一部分能量转化为电子脱离金属表面后的动能，其能量关系式为：
[12μv2m=hv-W0]
式中[μ]是电子的质量，[vm]是电子逸出后的速度，[W0]是电子逸出需要克服金属表面的吸引所做的功，称为逸出功。如果电子吸收的能量[hv]小于[W0]，则电子不能从金属表面脱出，也就不会有光电子产生，光的频率决定了光子的能量，光子的能量被电子吸收后，就决定了电子能不能从金属表面脱出，而光的强度只能决定光电子的数目，光子越多，产生的光电子就越多。这样经典理论无法解决的光电效应问题得到了完满的解释。
根据相对论理论，可以得到光子的能量和动量的表达式：
[E=hv=hω]④
[P=hvcn=hλn=hk]⑤
式中[n]表示沿光子运动方向的单位矢量，[ω=2πv]为角频率，[λ]为波长，[k]为波矢，④和⑤式把光的波动性和粒子性紧密地联系起来，等式左边为动量和能量，是用来描述粒子状态的，等式右邊含有角频率和波长，则是用来描述波的特性的。根据以上理论和实验分析，验证了光既有波动性，又具有粒子性的波粒二象性结论。
参考文献：
[1]周世勋主编.量子力学教程[M].北京：高等教育出版社，2003（5）：5
[2]叶伟国、余国祥.大学物理[M].北京：清华大学出版社，2012（12）：383