光量子假说图文解释（五分钟量子力学）

光量子假说图文解释（五分钟量子力学）这个实验的数学分析比较简单，这里就写详细一点。今后遇到需要用高等数学表述的地方能不写尽量不写。对于数学分析不感兴趣的小伙伴可以PASS。其中最有名的实验就是双缝实验（double-slit experiment）了。这是一种演示光子或电子等等微观物体的波动性与粒子性的实验。双缝实验是一种“双路径实验”。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。看看几个研究光的波粒二象性的实验吧

今天小编带着各位小伙伴一起来学习一下五分钟量子力学的第二章光的波粒二象性。

我们今天不去探讨波粒二象性带来的哲学问题，这玩意一旦谈起来不光是没头没脑，更重要的是科学和神学各说各话无法得出争论的结果，以后我会在专门的文章里来跟大家探讨。

先来回顾一下波粒二象性被发现的历史

十七世纪的时候光的波动性就被发现了，光的干涉和衍射现象以及光的电磁理论分别从实验和理论两个方面充分肯定了光的波动性。

1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。

1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。

看看几个研究光的波粒二象性的实验吧

其中最有名的实验就是双缝实验（double-slit experiment）了。这是一种演示光子或电子等等微观物体的波动性与粒子性的实验。双缝实验是一种“双路径实验”。

这个实验的数学分析比较简单，这里就写详细一点。今后遇到需要用高等数学表述的地方能不写尽量不写。对于数学分析不感兴趣的小伙伴可以PASS。

在上图中A、B分别是两块垂直于屏幕的屏 两个屏的间距为D，在屏A上开有两条平行的并且很窄的狭缝S1和S2，狭缝的间距为d，D>>d。

同一光源发出的光线穿过双缝在屏B上产生颜色图样。分别以E1和E2表示穿过狭缝S1、S2到达P点的光波振动：

诶呀，写到这里突然发现一个问题，自己不会在编辑器里写数学公式。算了，这个实验的数学分析，我就用手写吧，已经包含在上面的图片里了。以后的能不写尽量不写，实在需要的就手写好了。抱歉了，小编偷懒了。

在这种更广义的实验里，微观物体可以同时通过两条路径或通过其中任意一条路径，从初始点抵达最终点。这两条路径的程差促使描述微观物体物理行为的量子态发生相移，因此产生干涉现象。另一种常见的双路径实验是马赫-曾德尔干涉仪实验。

虽然光的波动性有大量的实验事实作为实证，同时也有光的电磁理论作为支撑，但是在上世纪初发现了黑体辐射和光电效应等现象却揭开了光的波动性理论的局限。

黑体辐射

所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)

任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。

理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射，并将这些辐射转化为热辐射，其光谱特征仅与该黑体的温度有关，与黑体的材质无关。

从经典物理学出发推导出的维恩定律在低频区域与实验数据不相符，而在高频区域，从经典物理学的能量均分定理推导出瑞利-金斯定律又与实验数据不相符，在辐射频率趋向无穷大时，能量也会变得无穷大，这结果被称作“紫外灾变”。

1900年10月，马克斯·普朗克将维恩定律加以改良，又将玻尔兹曼熵公式重新诠释，得出了一个与实验数据完全吻合普朗克公式来描述黑体辐射。但是在诠释这个公式时，通过将物体中的原子看作微小的量子谐振子，他不得不假设这些量子谐振子的总能量不是连续的，即总能量只能是离散的数值（经典物理学的观点恰好相反）。

后来，普朗克进一步假设单独量子谐振子吸收和放射的辐射能是量子化的。他在论证的过程中提出了能量子的概念和常数h（后来成为普朗克常数），成为了此后微观物理学中最基本的概念和最重要的普适常量。

1900年12月14日，普朗克在德国物理学会上报告了这一结果，由于这一发现，普朗克获得了1918年诺贝尔物理学奖。

所谓光电效应就是当光照射到金属上时，有电子从金属中逸出，这种电子被称为光电子。这种现象是1887年由德国物理学家赫兹发现的。

在这个时期，第一个站出来肯定光除了波动性之外还具有粒子性的物理学家就是爱因斯坦。他认为电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量微粒的形式出现，而且这种形式以速度c在空间运动。这种粒子叫做光量子或者光子。

用这个观点，爱因斯坦成功地解释了光电效应。1921年，爱因斯坦因为建立光量子理论并成功解释了光电效应而获得了诺贝尔物理学奖。

1923年，美国物理学家康普顿在研究X射线的时候发现了一个新现象，就是波长的增量随着散射角的不同而变化，这种现象被称为康普顿效应。当时参与这个实验的还有我国物理学家吴有训，二人共同使用实验，验证了康普顿提出的波长跟散射角的关系公式。

爱因斯坦和普朗克的理论揭示了光的粒子性，但也没有否定光的波动性。这样光就是同时具有波动性和粒子性的双重性质，这种性质被称为波粒二象性。

光的波粒二象性的发现，成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。爱因斯坦和普朗克也因此被并称为二十世纪最重要的两大物理学家。虽然后来由于爱因斯坦认为上帝不打色子，不肯承认量子力学中的不确定性原理，但是爱因斯坦仍然是量子力学诞生的最重要的奠基人之一。

我是物理学徒，一个致力于科普相对论、量子力学、计算机、数学，让深奥的科学理论通俗易懂起来、让科学更有趣的科普搬运工。