2019-2020年高中物理（人教大綱版）第三冊 第二十一章 電子論初步 二、光的波粒二象性(備課資料).doc

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●備課資料 2019-2020年高中物理（人教大綱版）第三冊 第二十一章 電子論初步 二、光的波粒二象性(備課資料) 18世紀末，在德國自然哲學(xué)思潮的影響下，人們的思想逐漸解放.英國著名物理學(xué)家托馬斯楊開始對牛頓的光學(xué)理論產(chǎn)生了懷疑.根據(jù)一些實驗事實，楊氏于1800年寫成了論文《關(guān)于光和聲的實驗和問題》.在這篇論文中，楊氏把光和聲進行類比，因為二者在重疊后都有加強或減弱的現(xiàn)象。他認為光是在以太流中傳播的彈性振動，并指出光是以縱波形式傳播的.他同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的.在經(jīng)過百年的沉默之后，波動學(xué)說終于重新發(fā)出了它的吶喊；光學(xué)界沉悶的空氣再度活躍起來.同年，楊氏在英國皇家學(xué)會的《哲學(xué)會刊》上發(fā)表論文，分別對“牛頓環(huán)”實驗和自己的實驗進行解釋.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)的實驗和計算》.他根據(jù)光的干涉定律對光的衍射現(xiàn)象作了進一步的解釋，認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，但它在波動學(xué)說的發(fā)展史上有著重要意義.1804年，這篇論文在《哲學(xué)會刊》上發(fā)表.1807年，楊氏把他的這些實驗和理論綜合編入了《自然哲學(xué)講義》.但由于他認為光是一種縱波，所以在理論上遇到了很多麻煩.他的理論受到了英國政治家布魯厄姆的尖刻的批評，被稱作是“不合邏輯的”“荒謬的”“毫無價值的”.雖然楊氏的理論以及后來的辯駁都沒有得到足夠的重視、甚至遭人毀謗，但他的理論激起了牛頓學(xué)派對光學(xué)研究的興趣.1808年，拉普拉斯用微粒說分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動說.1809年，馬呂斯在試驗中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象.在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發(fā)現(xiàn)光在折射時是部分偏振的.因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為了反對波動說的有力證據(jù).1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗定律 .光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使當時的波動說陷入了困境，使物理光學(xué)的研究更朝向有利于微粒說的方向發(fā)展.面對這種情況，楊氏對光學(xué)再次進行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說，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說理論.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說與微粒說之間的紛爭.在1815年菲涅耳就試圖復(fù)興惠更斯的波動說，但他與楊氏沒有聯(lián)系，當時還不知道楊氏關(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度.事實上他的理論與楊氏的理論正好相反.后來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由兩個平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進行的光的干涉實驗，繼楊氏干涉實驗之后再次證明了光的波動說.阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時間后，轉(zhuǎn)向了波動說.1819年底，在菲涅耳對光的傳播方向進行定性實驗之后，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論.1882年，德國天文學(xué)家夫瑯和費首次用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象.在他之后，德國另一位物理學(xué)家施維爾德根據(jù)新的光波學(xué)說，對光通過光柵后的衍射現(xiàn)象進行了成功的解釋.至此，新的波動學(xué)說牢固的建立起來了.微粒說開始轉(zhuǎn)向劣勢. 隨著光的波動學(xué)說的建立，人們開始為光波尋找載體，以太說又重新活躍起來.一些著名的科學(xué)家成為了以太說的代表人物.但人們在尋找以太的過程中遇到了許多困難，于是各種假說紛紛提出，以太成為了19世紀的眾焦點之一.菲涅耳在研究以太時發(fā)現(xiàn)的問題是，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轉(zhuǎn)呢.不久以后泊松也發(fā)現(xiàn)了一個問題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動中必然要有縱向振動，這與新的光波學(xué)說相矛盾.為了解決各種問題，1839年柯西提出了第三種以太說，認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)進行類比，試圖說明有些物質(zhì)既硬得可以傳播橫向振動又可以壓縮和延展——因此不會影響天體運動.1887年，英國物理學(xué)家麥克爾遜與化學(xué)家莫雷以“以太漂流”實驗否定了以太的存在.但此后仍不乏科學(xué)家堅持對以太的研究.甚至在法拉第的光的電磁說、麥克斯韋的光的電磁說提出以后，還有許多科學(xué)家潛心致力于對以太的研究.19世紀中后期，在光的波動說與微粒說的論戰(zhàn)中，波動說已經(jīng)取得了決定性勝利.但人們在為光波尋找載體時所遇到的困難，卻預(yù)示了波動說所面臨的危機.1887年，德國科學(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世紀初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學(xué)說.1921年，愛因斯坦因為“光的波粒二象性”這一成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎.1921年，康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性.1927年，杰默爾和后來的喬治湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質(zhì).同時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).在新的事實與理論面前，光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕. 光的波動說與微粒說之爭從17世紀初笛卡兒提出的兩點假說開始，至20世紀初以光的波粒二象性告終.前后經(jīng)歷了三百多年的時間.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)過三個世紀的研究，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，在光的本性問題上是否還會有新的觀點、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？