§1.6 光的波粒二象性

1. 1 光波、光线与光子 §1.6 光的波粒二象性

2. 1.6 光的波粒二象性 1 光波、光线与光子 主要内容 1. 光波与光子的对立统一 2. 德布罗意方程 3. 对光的本性的再认识

3. 1.6 光的波粒二象性 1 光波、光线与光子 1.6.1 光波与光子的对立统一 波动说——光是一种波长极短的电磁波动 对光的本性的认识： 粒子说——光是一种作高速运动的光子流 作为波动，光具有频率v和波长 光波与光子之个性： 作为粒子，光又具有能量E和动量p 光波与光子的共性： 具有速度v和能量E 波动性与粒子性的联系： (1.6-1) (1.6-2) 波动性与粒子性之间联系的纽带：普朗克常数h

4. 1 光波、光线与光子 1.6.1 光波与光子的对立统一 1.6 光的波粒二象性 说明： 按照相对论质能关系，如果认为光也具有质量（设为mp）的话，那么可以将光子在真空中的能量和动量分别表示为 (1.6-3) (1.6-4) 如果将质量和频率分别看成是粒子性和波动性的主要象征，则由式（1.6-3）和（1.6-1）得 (1.6-5) 光的波性与粒子性之间的联系纽带：普朗克常数h和真空中的光速c。 波粒二象性：光是客观世界中同时具有波粒二象性的特殊客体。研究光在空间的传播行为以及相关问题时，波动特性占主导地位；讨论光的发射及与物质相互作用等问题时，粒子特性占主导地位。

5. 1.6.2 德布罗意方程 1.6 光的波粒二象性 1 光波、光线与光子 德布罗意（de Broglie）于1924年提出：不仅光具有波粒二象性，所有的实物粒子，如电子、质子、中子等，都具有波动性，其粒子的能量、动量与相应的频率、波长之间也满足类似的关系： (1.6-6) (1.6-7) No：实物粒子的频率，mo：粒子质量，vo：粒子速度，lo：粒子波长。 (1.6-8) 德布罗意方程： 德布罗意波长：实物粒子的波长o。 物质波的验证——戴维森和革末的电子衍射实验（1927年）： 电子束经晶体表面散射时，散射电子束的强度按散射角的分布与X射线经晶体衍射的强度分布很相似，并且由衍射方程算出的电子波长与由德布罗意方程求出的结果完全一致。

6. 1 光波、光线与光子 1.6.2 德布罗意方程 1.6 光的波粒二象性 说 明 ① 电子衍射现象从实验上证实了德布罗意关于实物粒子具有波动性的假设。以此为原理发明的电子显微镜使得人类对微观世界的观察分辨能力提高了几个数量级。 ② 物质波概念的提出，最终导致量子力学的诞生。按照量子力学观点，任何物质粒子都同时具有波粒二象性。只是在宏观领域，实物粒子的波动特性很难被观察到。只有在微观领域，粒子的波动特性才会明显地显露出来。 ③ 实物粒子所具有的这种波性与光波存在着本质上的区别。光波属于电磁波，物质波是一种几率波。反映了大量微观粒子的统计行为。只有当光子数目少到可以按个记数时，光子的波动性才如同实物粒子一样，服从几率波的统计规律。

7. 1.6.3 对光的本性的再认识 1.6 光的波粒二象性 1 光波、光线与光子 光是一种能量和信息的载体。 作为能量载体：光子所携带的能量无处不有，如太阳能及各种热辐射能、激光、微波等。 作为信息载体：光子的振幅（强度）、相位、频率（波长）、偏振态、量子态以及传播方向等，都可以作为携带信息。 研究光的本性的目的不仅仅在于认识光这种特殊的自然客体，更重要地在于如何更有效地利用光为人类服务。因此，光作为能量和信息载体的角色更为重要。

8. 1.6 光的波粒二象性 1 光波、光线与光子 本节重点 1. 光波与光子的区别与联系 2. 光子与光波的两种角色