光的粒子性是假象 光的波粒二象性学说不成立.doc

光的粒子性是假象 光的波粒二象性学说不成立 曾祥文 摘要：目的：否定光的波粒二象性学说，完善光的波动学说；发现矛盾，提出问题：通过对比分析被物质波所描述的,都具有波粒二象性的光和电子、质子、中子、粒子等,得出矛盾结论光和电子等的粒子行为截然不同, 更重要的是，用爱因斯坦的光子说解释光电效应也存在矛盾，用光子说解释库仑定律存在尖锐矛盾；分析问题：提出光的粒子性是一种假象的来源，分析用波动理论可以解释被认为光具有粒子性的黑体辐射、光电效应、康普顿效应的内在依据；结论：光是能量量子化的电磁波，光的粒子性是一种假象，光的波粒二象性学说不成立。关键词：物理光学 ；光的波动说；光的微粒说；波粒二象性；光子；激光 ； 库仑定律中图分类号：O431 引言光的本质是什么？人们对光的本质的认识经历了一个比较漫长而曲折的过程，光究竟是波还是粒子？自从十七世纪初笛卡尔提出的两点假说开始，经过许多科学家不懈的努力，进行了无数次实验和探索，发现了众多的光学规律，形成了以牛顿为首的微粒说学派和以惠更斯为首的波动说学派之争，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。正是这种争论，推动了科学的发展，并导致了20世纪物理学的重大成就量子力学的诞生。引发了一系列划时代的科学发现和技术发明。光的反射、折射、衍射、干涉、偏振等现象，以及光的电磁波属性，充分说明光具有波动属性；黑体辐射、光电效应、康普顿效应又体现了光的粒子性。光的波粒二象性学说是指光同时具有波动性和粒子性的双重属性，可以说能解释所有的光现象，也解决了光波的载体问题。光的波粒二象性学说真的就是波动性、粒子性的有机结合、辩证统一吗？由于学说的观点特别新奇，虽说被学术间广泛接受，同时也引起了众多质疑光的波粒二象性学说的声音。我对各种科普书上光学实验事实仔细推敲，对光学理论进行仔细对比分析，发现许多光现象跟光是微小的实物粒子流的观点相矛盾，更重要的是发现光学规律与光的波粒二象性学说存在尖锐的矛盾。我认为光的粒子性是一种假象。2 发现光没有粒子性质1.1 光和电子、质子、中子、粒子等的粒子行为截然不同 由于微观粒子和宏观物质的运动规律存在巨大的差别，就用物质波理论认为都具有波粒二象性的光和电子、质子、中子、粒子对比（1）从传播速度上看：光在真空中的传播速度是299792458 m/s。光在水中的速度：2.25108m/s。光在玻璃中的速度：2.0108m/s 。光在冰中的速度：2.30108m/s 。光在酒精中的速度：2.2108m/s。光在没有外力作用下，从真空射入玻璃，再从玻璃射入真空，速度发生了由高到低，再由低到高的变化，变化方式是台阶式的跃变，不存在渐变；在光电效应中，由于不同频率的光照射金属，产生的光电子有不同的遏止电势差，说明光电子产生后有不一样的速度，电子、质子、中子、粒子等都不存在各自特有的固定速度，而且只有在外力作用下，速度才会发生渐变，用回旋加速器加速带电粒子就很直观的说明了粒子没有各自特有的固定速度； （2）从传播方向上看粒子散射实验证实微观世界是比较空旷的核式结构；电子衍射实验证实很细的平行电子束投射到晶体上，发生反射后产生衍射花样，也就是反射后运动方向是不一样的；质子、中子等在非真空运动都有碰撞现象，而光在均匀媒质、光滑介面处发生反射、折射现象时，都严格遵守反射定律、折射定律，如果光是微小的实物粒子流，在发生镜面反射后，为什么会在方向上如此步调一致，而且反射后速度没有损失？ （3）从传播过程中的损耗看：金属中的电子在传输电能的过程中，有电阻存在，电流越强，电阻的损耗就越大，严格遵守欧姆定律（R=U/I），电阻率的大小（=RS/L），除了与材料有关外，更明显的是与横截面积、长度有关，这主要是电子和微观粒子的弹性碰撞引起的；而光纤激光切割机证明，激光在光纤中的损耗可以达到忽略的程度，损耗也是由物质的吸收造成的，能说明光有粒子性吗？2.2 爱因斯坦的光量子模型与光电效应事实存在矛盾光电效应实验表明在入射光的频率大于截止频率的情况下，光电子的初动能，随入射光的频率的增加而线性地增加，光的能量与光强无关，而仅与频率有关。光照射到金属表面上时，几乎立刻就有光电子逸出，这就是光电效应的“瞬时性”。爱因斯坦的光量子模型能完美解释频率大于截止频率的光量子，产生光电效应的所有实验事实；同时从爱因斯坦的光量子模型也可以推出频率小于截止频率的光量子，有能量积累效应，理由是光速大于电子速度，光子有动量P=h/c，动量有矢量叠加特性，经过多个光子弹性碰撞就存在一定的概率可以使一部分电子的动能增大，克服原子的束缚而变成具有一定初动能的光电子。从这个推理可以看出爱因斯坦用光量子模型解释光电效应，有成功的一面，更隐含着矛盾的一面，光电效应的产生没有光能叠加效应。被密立根光电效应实验精确证明光电效应的爱因斯坦方程（光子能量 = 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能）E=h-w,这里h是量子（光量子）能量，w为物质的基本电离能，E为物质抛离所携带的能量。只能是光电效应过程中数量关系的体现，而不能定性光是粒子。这一点如同完美的麦克斯韦方程组是经典电磁学的基础方程，但不能证明经典电磁学理论完美无缺。2.3光的粒子性无法解释互相垂直的偏振片产生的视场全暗现象 光是横波、光又是粒子，光在通过光栅时，就存在一定的概率，光子正好经过光栅的中间，也就是说光在通过互相垂直的偏振片不会产生的视场全暗现象，这个推理与客观事实不符，事实是出现全暗的视场。2.4光的波粒二象性学说与光的独立传播原理矛盾 爱因斯坦用光的波粒二象性学说解释光电效应光电子是由光子与电子弹性碰撞反冲出电子；康普顿解释康普顿效应光子与电子弹性碰撞改变了光子的频率，爱因斯坦和康普顿的共同点是光是一种实物粒子，能和电子发生弹性碰撞。光的干涉现象是频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两束相干光相遇时，使某些地方振动始终加强，而使另一些地方振动始终减弱的现象。在杨氏双缝实验和薄膜干涉都显示出光的干涉现象，都使人们实实在在观察到了光束之间的相互作用。光的独立传播原理是两束光波在传播过程中相遇，相遇后仍然保持它们各自原有的特性（频率、波长、振动方向等）不变，仍然按照自己原来的传播方向继续前进，好像在各自的传播过程中没有遇到其他波一样。光的干涉现象和光的独立传播原理一同说明了这样一个道理两列光波在相遇后，存在相互作用，但没有发生粒子相互碰撞现象。在真空条件下，用镜子按90度反射太阳光，观察是否有光子碰撞的漫反射现象，这是最直观，也最有效的证明光传播过程中是不是粒子的证据，其他方法由于有微观粒子的纠缠，没办法判断谁是谁非。惠更斯就曾经用这个生活中的例子来反驳微粒说：如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中，各种粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向改变。而事实并非如此。2.5 光的波粒二象性学说的派生理论与真空中的库仑定律矛盾光是电磁波，光具有波粒二象性。在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子，光子是所有电场和磁场的产生原因，光子是电磁辐射的载体，是传递电磁相互作用的基本粒子。库仑定律阐明：在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与距离平方成反比，与电量乘积成正比，作用力的方向在它们的连线上，同名电荷相斥，异名电荷相吸。用光子说无法解释库仑定律的理由是：（1）光产生是有条件的，在分子或原子中，处于高能级的电子跃迁到低能级产生一份光，光不是无始无终，随时产生；（2）一份光的能量是 E= h v 说明只要两份光的频率相同，不论发光距离与作用点的远近如何，传递的能量是相等的， 两点电荷的作用力公式 F= KQQR/R 说明两点电荷的作用力大小与距离平方成反比，说明“光的波粒二象性学说”与“真空中的库仑定律” 在数量关系上严重矛盾；（3）通过光子无法传递异名电荷相吸的作用力；（4）无法传递电子绕原子核旋转的向心力，典型的例子如处于基态的氢原子中电子绕核旋转，没有光子发射，如何提供向心力？综合上面的事实，说明光的粒子性不能成立。3 光的粒子性是一种假象，用波动说能解释光的粒子现象3.1 光的粒子性是一种假象 光的粒子现象来源有两个：（1）现代物理证明物质的微观是由原子或分子组成的，原子光谱的规律性证明原子能级是分立的，原子或分子是粒子；（2）一般情况下，光是由原子或分子中的电子由高能级跃变到低能级产生的，从空间上看产生于原子或分子尺度内，超小；从时间上看，现在激光器实现了飞秒级的脉冲，超短，空间上的超小、时间上的超短，像粒。3.2用波动说能解释光的粒子现象：（1）普郎克的黑体辐射：普郎克研究黑体辐射，发现黑体辐射能量量子化，提出了能量子假设。黑体辐射从本质上讲还是原子辐射，现代原子理论和光谱学都证明原子内的电子处于各自分立的能级上，电子由高能级向低能级跃变，损失一部分能量，以电磁波的形式释放出来，释放出来的能量的多少，由电子的高能级与低能级之差决定，由于原子内的电子所处的能级是固定的，因此释放出的辐射能量是量子化的。能量量子化从激光现象可以充分表现出来由于激光物质电子的能级有固定的亚稳态和基态，因此产生的激光是单一频率的。化学反应热也可以说明物质原子或分子的能级是分立的。也就是说黑体辐射能量量子化是原子或分子的能级分立产生的。（2）光电效应：光电效应的实验规律有1）每一种金属在产生光电效应时都存在一个极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称极限（或称红限波长）。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。2）光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。3）光电效应的瞬时性。实验发现，即几乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）。4.入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间单位面积内逸出的光电子数目。在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即一定颜色的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。在经典电磁波理论解释光电效应的实验规律时存在认识上的误区光强不等于振幅，电子在原子中的能级是分立的，在原子空间无法表现出有差异的振幅；声波、电磁波没有能量积累效应，否则在传播声音信号、电磁波图电磁波信号时就表现出模糊一片。二氧化碳激光器，发出的激光波长为10.6 微米，“身”处红外区，大功率激光器应用于焊接、切割、打孔等加工。二氧化碳激光器说明波长为10.6 微米的一份红外线 ，就能使原子中的电子由基态跃迁到激发态，宏观效应是能使金属铁由固态变成液态，从能量传递的角度说，光波没有能量积累效应其他的光波不能使处于高能级的电子向更高能级跃迁，这就如同用酒精灯，无论怎样加热也无法使金属乌液化。光波的能量E=h是由光的频率决定的，只有大于截止频率的光波提供的电磁能才能使原子内的电子由基态克服原子核的束缚变成光电子，产生光电效应。（3）康普顿效应：X射线是比紫外线频率更高的光，更容易产生光电效应。在康普顿实验中，X射线通过物质散射时的物理过程是，一部分被散射物质直接反射，另一部分被散射物质吸收，产生光电效应，光电子在运动过程中损失一部分能量，并产生轫致辐射（高速电子骤然减速产生的辐射）。这一过程可以瞬时完成，也就有了康普顿效应：在散射X射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线。 正如用光激发激光物质，用来激发的光和产生的激光频率是不一样的，比入射线波长更长的射线是光被吸收后再次发射的结果。 4 结论 光是能量量子化的电磁波，光的粒子性是一种假象，光的波粒二象性学说不成立。光传递的是电磁能E=h，不是粒子的机械碰撞，光没有动量P=h/c，光由于产生方式决定它不是连续的电磁波，激光的单向性说明光不是球面波，光的能量公式E=h说明光在传播过程中不会产生新的波源，没有能量损失，常见的损耗是物质对光的吸收。用天文望远镜能观测到上亿年前恒星发的光也能直观的说明这一点。光的传播媒质是电磁场，电磁场是什么物质，现在还没有成熟的理论，不过人们从电子、甚至更小的粒子之间引力、斥力等各种相互作用力可以实实在在感受到各种性质的场存在，就像万有引力一样，电磁场无缝的存在着，可以传递作用力或能量； 光的反射、折射只发生在两种媒质的分界面，是由于分界面处的电场和媒质内部的电场分布不一样产生的，只要分界面足够光滑，就能形成匀强电场，就能使光的反射、折射步调一致。 参考文献：马文蔚 柯景凤.物理学中册M.北京.高等教育出版社,1986。1马文蔚 柯景凤.物理学下册M.北京.高等教育出版社,1986。1光电效应DB。百度百科。2015.3光的波粒二象性DB。百度百科。2015.4激光DB 百度百科,2015.5光子DB 百度百科,2015.6创新点说明：1：否定光的波粒二象性学说，完善光的波动学说；2：发现光的波粒二象性学说在光的反射、折射、干涉、偏振等方面都存在矛盾，特别是与真空中库仑定律、光的独立传播规律存在尖锐的矛盾；3：提出最直观，最有效的证明光有无粒子性的实验方法；4：根据光波能量公式E=h，提出光在传播过程中没有能量损耗，常见的损耗是物质对光的吸收。