“光的本性”幾個易混淆問題釋疑

“光的本性”一章研究光的現象較多，令人難記．定性的多，較難分析解釋，有些概念比較抽象，頗費理解．教學中，對于一些易混淆的問題應向學生講解清楚，幫助他們深刻認識光的本性．

問題１　關于光的本性有幾種學說？各種學說的代表人物是誰？

釋疑　在研究光的本性的歷史上，具有代表性的學說有五種．

（１）微粒說　這個學說是１７世紀末提出的，代表人物是牛頓．牛頓根據光的直線傳播、光的反射和折射、光具有能量等特點，提出光是由一種具有完全彈性的球形微粒大量聚集而成的，這些微粒在均勻介質中以極高的速度做直線運動．

（２）波動說　這個學說的代表人物是與牛頓同時代的荷蘭物理學家惠更斯．他根據光與機械波有類似特征，提出光是以光源為振源的某種振動，光是在一種特殊的彈性物質“以太”中傳播的彈性機械波．但實驗證明這種“以太”物質是不存在的．

從現代光學論來看，微粒說和波動說都沒有能揭示光的實質．在當時的實驗條件下各自只能解釋一些光現象，但又有一些無法解釋的問題．

（３）電磁說　這個學說的代表人物是麥克斯韋．１９世紀后期，麥克斯韋根據理論上得到的電磁波的速度與實際測得的光速相同、電磁波和光都可以在真空中傳播而不需要介質等，預言光是一種電磁波．后經赫茲實驗證實電磁波確實存在，這樣光的電磁說就誕生了．

經過一系列科學家的努力，測出了光波的波長，并同各種電磁波一起組成了排列有序的電磁波譜，光作為一種電磁波在電磁波譜中占據了它應有的位置．光的電磁說使光的波動理論發(fā)展到了相當完美的程度，取得了很大的進步，使人們在對光的認識上跨進了一大步．

（４）光子說　這個學說的代表人物是愛因斯坦．光子說的要點是：光由光子組成，在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子，每個光子具有能量Ｅ＝ｈν．

（５）光的波粒二象性　現在，科學家對光的本性的認識是：光具有波粒二象性．個別光子的行為顯示出波動性；頻率越高的光子，能量越大，粒子性越明顯，但這種粒子又不同于宏觀現象中的質點；大量光子的作用顯示出波動性，頻率越低，波動性越明顯，但它又不同于機械波，亦不同于電磁振蕩產生的電磁波．

問題２　光的波粒二象性是不是折衷主義？

釋疑　對光的本性的認識，歷史上曾發(fā)生過兩次否定．第一次是波動說取代微粒說，但是第二次當光電效應等現象發(fā)現之后，并沒有取消波動說，而是提出波粒二象性，這是不是搞折衷主義呢？不是，因為這兩次否定的性質是不同的．第一次，波動說與微粒說兩種學說本身是不相容的，光的干涉、衍射現象的發(fā)現及光速測定，證明微粒說是錯誤的．波動說能解釋包括微粒說可以解釋的一切光現象，使微粒說沒有再存在的理由．這次否定是徹底的．第二次的情況不同，光子說與電磁說均可以解釋某些實驗，但又都不能被完全取代，所以都有存在的理由，而且光子說作為電磁波說的對立面理論提出來是相容的．光子能量Ｅ＝ｈν中的頻率ν正是波的特性的描述，更重要的是，實驗也證明了個別光子表現出粒子性，大量光子表現出波動性．由此可見，光的波粒二象性不是互相對立的實驗現象的折衷，也不是理論上的權宜之計，而是對光的本性的科學概括．

值得說明的是，光的波動性（電磁說）和粒子性（光子說）不同于宏觀機械波（波動說）、宏觀質點（微粒說）．

問題３　白光經三棱鏡色散后得到的彩色條紋與白光通過雙縫干涉后得到的彩色條紋的圖樣和形成過程有何不同？

釋疑　它們圖樣的不同點是：三棱鏡產生的彩色條紋圖樣是七色光帶連續(xù)排列的，光帶較寬，色光只能出現一組．而雙縫干涉圖樣在中間有一明亮的白光帶，以此為中心，七色光帶向兩側延伸，可以看到若干組彩色條紋，并逐漸暗淡，各組彩色條紋間以暗條紋相間．

它們圖樣的形成過程有本質區(qū)別：雙縫干涉形成的彩色條紋中，每一種顏色是由兩列波疊加使某種色光相互加強而成．三棱鏡色散而成的彩色條紋中的每一種顏色，卻是由組成白光的各單色光經棱鏡折射后產生不同程度的偏折，從而相互分開形成的．

問題４　光的干涉與衍射有何區(qū)別？

釋疑　光的干涉與衍射都可以得到明暗相間的色紋，都有力地證明了光的波動性．但是，產生這兩種現象的條件是不同的．光的干涉現象需要相干光，即兩列振動情況總是相同的光源，在同一介質中相遇．例如從楔形肥皂膜上觀察到的鈉黃光的明暗相間條紋，或從水面油膜上觀察到的彩色條紋，就屬這類情況，從薄膜的前后表面反射出來的光就是相干光．而光的衍射現象產生的條件是障礙物或孔的線度與光波波長可以比擬的情況．例如從小孔觀察點光源或從狹縫觀察線光源就屬這種情況．光經過小孔或狹縫產生非直線傳播的現象，此時便可在光屏上形成明暗相間的條紋．其次，干涉條紋與衍射條紋也是有區(qū)別的，以狹縫為例，干涉條紋是相互平行、等距（寬度相同）的；而衍射條紋是平行而不等距的，中間最寬，兩邊條紋寬度逐漸變窄．

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