光子论

光子论:爱因斯坦认为光具有波粒二象性(wave-particle duality)同时具备波的特质及粒子的特质。

• 中文名 光子论
• 外文名 wave-particle duality
• 科学家 爱因斯坦
• 学 科 物理
• 简 介 光具有波粒二象性

简介光来自子论

光子论

　　光是什么？光的群兴苗该晚多温连行首侵本质是什么？这是问每位务一个既古老又新颖的360百科问题，同时也是光学史收获纸坚其坏算他层触上人们争论最为激烈的问题。关于光的本质的认识，光学史上曾有过微粒说和波动说之争。以牛审线验从旧片至顿和爱因斯坦为代表的微粒说认为，光的本质是微粒，现均她矛在某院人称光子；波动说又分为以太波动说和电磁（波动）说。以惠更斯-杨-抓菲涅耳为代表的以例雷约价太波动说认为，光是一种称为“以太”的介质的快速振动。以麦克斯韦和罗仑兹为代表的电磁理论认为光是候电磁波。目前，海内外理论界对光报盾的本质的最权威的结论配待育些是：光是电磁波，具有“波、粒”二象性，也就是光的“波、粒”说。这一结论在近一个世纪以来，似乎再没有人怀疑，但也没有人肯定这就是关于光的本质认识的最后定论。

　　光学理论的发展过程可用下图表示：

　　微粒说：牛顿微粒说--爱因斯坦光子说

　　╱╲

　　光学理论“波、粒”说

　　╲╱

　　波动说：“以太”波动说-----电磁波动说

　　（惠更斯---扬---菲涅耳）财考（麦克斯韦---罗仑兹）

　　光的“波、粒”说能不能成立?下面对这一理论进行讨论。光的“波、粒”说认为光是电磁波，具有“波、粒”二象性。其实质是:光既是电磁波、又是光（粒）子。因此要使光的“波、粒”说成立，光的电磁理论和光的微粒说必须同时成立，若二者之一不能成立，则光的“波、粒”说就不能成立。那么光的电磁理论和光的微粒说都能成立吗?

　　对光的微粒简介

　　光的微粒说历史悠久未落至买传镇，18世纪初牛顿提出光的微粒说，他认为光是发光体发射出的极小微粒。到了1905年，爱因斯继低湖现差资方坦推广了1900年普郎克关于能量量子化的假说，提出了光量子世孩主认剧务饭采（光子）的概念。他认为光能并不象电磁理论所想象的那样分布在波阵面上，而是集中在被称为光量子的微粒上，他用光子（微粒）说成功地解释了光电效应现象。光的微粒性后又被康普顿效应等许多实验所证明，光子的地位和存在已“基本”得到确立。因此都永参面陈关然次犯婷流可以得出，光的微粒说是成立的。

电磁理论

光子论

　　光的电磁理论是光的“波、粒”说的重要组成部分。电磁理论认为，光是电磁波。光的电磁理论又是如何产生和发展起来的？目前，海内外学术界都认为，热光的电磁理论是由麦克斯韦首先提出，后经赫兹用实验所证实。

　　麦克斯铁积管记围和罪速煤韦是在什么情况下首先提出语万沙育快唱煤谓宜“光是电磁波”这一重要理论的？据文献记载。麦克斯韦在得知推得电磁波的速度恰恰与光的速度相同后，非常兴奋。并从光波联想到电磁波，于是就“设想”﹑“推测”出光是电磁波。

　　可见“光是电磁波”这一重要论断只是一种设想。在今天看来,只凭推得的电磁波的速度和光速相同就得出“光是电磁波”这样重要的结论其理由未免太不充分了吧！设想必须得到实验验证和理论证明后才能成立，而“光是电磁波”这一论断至今还没有得到实验验证，赫兹1887年的实验只能证明电磁波的存在，不能证明光是电磁波。如果光是电磁波，就应显示出其电磁性质。功率强大的激光就应具有很强的电场和磁场，事实上，激光仍不能表现出电、磁性质，产生电磁现象。所以说，“光是电磁波”的论断到目前还只能是一种设想，不能成为理论。以上说明光的电磁理论从提出之时就缺乏足够的理论基础和实验依据。

　　赫兹的实验能不能证明“光是电磁波”?

　　据文献记载推得。赫兹1887年的实验产生的电磁波的波长大于6mm,而可见光的最大波长为770纳米（0.77μm），远红外线的最大波长为103μm——即1mm。由此可见，赫兹当年获得的电磁波的波长远大于远红外线的波长。和光（可见光）的波长相比差得太远，根本无法相比。在电磁波谱中，只能排在短波位置，不能用来证明“光是电磁波”这一论断。所以说“麦克斯韦的‘光是电磁波’的论断被赫兹的实验所证实”的结论是不切合实际的，也是不能成立的。

　　下面对光的电磁理论的核心部分——电磁波方程进行讨论：光的电磁理论认为光是电磁波。波都可以用波方程来表示。如机械波可用波方程表示如下：y（z.t）＝Acos［（kz-ωt）＋α］；为了证明光是电磁波，电磁理论者设法建立一个能表示光的波方程，运用麦克斯韦方程组就推导出一组光的电磁波方程如下：E=Eocos［（kz-ωt）＋α］；Ey=Eyosin（kx-ωt）；Bz=Bzosin（kx-ωt）；应当指出的是，虽然从麦克斯韦方程组可以推导出光的电磁波方程，但方程的推导过程是否合理?方程本身能否成立?它表示的光电磁波是否存在？它能不能用来表示光?这些都是需要理论论证和实践检验的，否则它就不能被确认而成为定论，也是不能应用的。决不能认为只要推导出这组波方程，它就能够用来表示光。

　　光的电磁波方程的推导过程是否合理?

光子论

　　虽然从麦克斯韦方程组可以推导出光的电磁波方程，但方程的推导过程合理吗?波方程可由多种方法得出，但在不同文献的推导过程中都必须有一个特定的共同假设前提条件——即“平面光电磁波”的存在，也就是说光的电磁波方程是在假定“平面光电磁波”存在这一特定的前提条件下推导出来的。人们不仅要问，在没有上述假定前提条件时，还能推导出这组电磁波方程吗？可以肯定，如果没有平面光电磁波这个假设前提，推导过程就无法进行，波方程也不能得出。

　　应当指出，“光是电磁波”的论断只是一种假设，这一论断并没有得到实验验证。况且平面光电波也是不存在的，就是当今理论界也承认这一现实，也就是说，光的电磁波方程已丧失成立的前提条件。这也说明光的电磁波方程的推导过程是不合理的，推导方法是不可行的,这样推导出的波方程也是不能成立的。以上看出，光的电磁波方程是在“平面光电磁波”存在的假设前提条件下推导出的产物，反过来，光的电磁说者又把电磁波方程作为光的电磁理论的重要依据据，并用它来表示光波且这种光波为平面光电磁波。这表明光的电磁波方程和光电磁波分别是以对方存在为前提时才能成立的。这分明是二者之间相互作证，即自己给自己作证。从这一点看，光的电磁理论是典型的“自举”型理论。“自举”型理论是不能成立的。

　　光的电磁波方程能不能成立?它是否符合已有的物理学原理?

　　机械波方程和光的电磁波方程虽然表面上相似，但它们表示的波（量）有质的区别。机械波方程描述的是机械波中质点位移的变化，振幅A表示质点的最大位移。光的电磁波方程描述的是光波中电矢量和磁矢量的变化，E和B表示电矢量和磁矢量的最大值。从某种意义上说，A（位移）和E（B）是有区别的。如果借用热学中广延量和强度量的区分方法，A和E（B）应分别属于两种不同的量，A为广延量，E（B）为强度量。由此看出，A和E(B)表示的意义的确不同，所以说波方程表示的意义是有质的区别的。

　　机械波方程表示的是介质质点的位移，质点位移可由大到小到0的变化。但不论位移如何变化，机械波所传递的总能量的大小都是不变的、相等的；而电磁波方程表示的是光波的电矢量，电矢量是强度量，它在一定意义上表示光波的电场能，即表示的是光波的能量。应当指出，不论是机械波、声波还是光波，它们的表现形式虽各不相同，但他们都有一个共同之处，那就是所有波传播的本质都是能量的传递。在波的传播过程中，波所传递的总能量是不会变化的。从理论上讲，一个体系或载体如果不和外界交换能量，在运动过程中体系或载体的强度量是不会随时间变化而改变的。如果电矢量也和位移那样可以由大到小到0的变化，那么，光电磁波的能量也将大小变化，有时为0。将会出现能量不守恒现象,这分明是违背能量守恒原理的。如果把光看作物质，将会出现物质不守恒现象，明显违背物质守恒原理，违反物理学原理的任何理论都是不能成立的。

　　由此我们还可以悟出，象电矢量这样的强度量在不进行能量转移和转换的条件下，是不能用波方程描述的。如果用波方程不能描述电矢量和磁矢量等强度量，那么，光的电磁波方程存在本身就是不合理的，用这样的波方程不能表示光。所以说。光的电磁波方程是不能成立的。

　　光的电磁波方程能不能用来表示光?

　　光的电磁波方程和机械波方程从形式上看极其相似，机械波方程所表示的机械波可以在弹性介质中产生并传播，那么光的电磁波方程所表示的光电磁波也应当在光的介质中产生并传播。其实不然，两者有着根本不同。机械波方程描述的是客观实在的机械波，机械波的存在是理论界所公认的；而电磁波方程是由数学方法推导出来的，它描述的不过是数学意义上的电矢量E和磁矢量B的分布规律，它所表示的光电磁波是麦克斯韦“设想”和“推测”出来的，没有得到实验验证。即使光的电磁波方程能够用来表示光电磁波，但它表示的是一个无头无尾的无限长的平面波。电磁理论认为这种波表示的是一种平面单色光。

光子论

　　事实上，自然界根本不存在平面单色光，即使是激光也不是平面单色光。就连当今理论界也不承认平面单色光的存在，既然平面单色光在客观现实中并不存在，所以光的电磁波方程便失去存在的意义,就不能用它来表示光。如果介质中确实存在着光电场和磁场的波动，电磁波方程才能成立，如果单凭推导出一个E和B的波方程，就得出介质中一定有光电磁波存在的结论那将是荒谬的。

　　光的电磁波方程表示的光电磁波能不能产生与传播？

光子论

　　机械波在弹性介质中的产生与传播，实质上是能量在介质中的转化和传递引起的。介质质点受到外力作用时得到能量，使质点产生运动。由于质点（分子）间存在作用力，质点的动能和势能发生转换，位移也发生变化，产生振动形成振源。质点（振源）的振动依次带动下一质点产生振动，从而依次向下传递形成波动。

　　再让我们看看光的电磁波，麦克斯韦的光电磁波是在电磁“以太”中产生并传播的。由于“以太”并不存在，即使爱因斯坦“允许”电磁场在真空中以波的形式传播，麦克斯韦的光电磁波也已经失去产生的土壤—即失去振源，没有振源波是不能产生的。光的电磁理论没有给光电磁波的产生建立一个清晰的物理模型，不能说明是什么原因产生了电、磁振动，又是在哪里产生了振动，明显的缺少振源也许就是麦克斯韦光的电磁理论的最大缺陷。其实麦克斯韦光电磁波的振源是根本不可能存在的。

　　因为机械波中质点的振动是靠势能和动能的转换实现的，而在光电磁波中，E和B是同步变化的，E和B之间没有发生能量转换。E和B在空间一点同时由小到大，再由大到小变化是不可能的，难道E和B在空间能够自生自灭不成。所以说E和B同步变化的振源是不可能存在的，没有振源光电磁波是不能产生的。

　　即使上面所说的电磁振动存在，它也是不能向周围传播的。这样的波中电矢量E和磁矢量B是同步变化的，E和B之间没有转换，好象是结伴同行，在这里E和B没有理由向下一点移动，E和B也不会自行向下一点移动，E和B缺乏前进的原动力。事实上，E和B在空间一点形成后，只能在该点周围一定范围内产生影响，并不会自行移动使影响范围变化，并不会象机械波那样将能量由一个质点向下一质点转移。所以说光的电磁波方程所描述的光波是不能在介质中传播的。

　　认为E和B可以同步变化可能就是人们长期以来认为麦克斯韦的光电磁波能够存在的错误思想产生的根源。再从能量的角度分析电磁波方程表示的光电磁波。在光电磁波的产生和传播过程中，从波上一点看，每一点上E和B都存在从无到有、由小到大，再由大到小到0的变化。从能量角度看，空间一点的能量将会从无到有、从小到大，这一过程中该点的能量从何而来，接着该点的能量又从大到小、再从小到无，这时该点的能量又到哪里去了？这分明是违背能量守恒原理的。

　　从整个波列看，在传播过程中，E和B分别在各自的振动平面内由小到大，再由大到小再到0依次变化。这同样出现能量不守恒现象。同一光波的能量为什么处处不等？波每经过一个波峰或波谷后就形成一个波节（节点），波峰或波谷处，光波的能量最大，而在波节之处，光波的能量为0。这和机械波是截然不同的，机械波中能量是处处相等的，而电磁波方程表示的波中能量是处处不相等的，而且波节之处能量为0，这不是明显的违背能量守恒原理吗？这个能量为0的点将成为光的电磁理论难以逾越的最大障碍。

光子论

　　以上看出，光的电磁波方程作为数学表达式（模型）是成立的，其示意图作为数学图形也是可以存在的，这样的波方程描述的只能是E和B数学意义上的分布规律，而不是物理意义上的E和B的变化或传播规律。电磁波方程所表示的波作为物理模型是没有生命力的，因为E和B是不会在空间自行同步变化或移动的。这样的波除明显的缺少振源外，还缺乏传播的原动力，它的存在违背了能量守恒原理，所以这样的波是不能产生、也是不能传播的。电磁波方程的导出不能证明光就是电磁波。

　　光的电磁理论是在19世纪末才得以完全确立的。1896年罗仑兹发表了<电子论>，提出电偶极子振荡理论，电子论使光波有了发射源头，使麦克斯韦的光的电磁理论得到补充和完善，从而使电磁理论成为光学的重要理论。当今光的电磁理论实际上是由麦克斯韦的电磁理论和罗仑兹的电子论拼凑而成的，但两种理论所描述的光波是不一样的，麦克斯韦的理论描述的波是缺少振源的无限长平面波，而罗仑兹的电偶极子振荡产生的波是振幅不一的有限长波列，两种理论不能通用，只能相互补充，并不能融合为一体。罗仑兹的电偶极子振源不能“嫁接”到麦克斯韦的无限长波之上。

　　光的电磁理论能否在光学实践中应用?

　　实践是检验一切真理的标准，光的电磁理论能否成立,要看它能不能在光学实践中应用。实事证明，光的电磁理论不能解释黑体辐射、线状光谱、光电效应等重要的光学现象。极弱光（单个光子）的干涉﹑衍射实验证明了光的干涉和衍射现象不是光与光相互作用产生的。彻底否定了（电磁）波动说光与光相互作用的干涉和衍射理论,光的波动学说关于光的干涉、衍射现象的解释是不能成立的。电磁理论者还在没有任何依据的情况下，自认为光在介质界面上发生反射、折射现象时，入射光中的光波列都是“一分为二”的。然而这样的认识已被弱光的光电效应现象和自然光在反射、折射时表现出的偏振现象所否定。由此得出，电磁理论连光的反射、折射现象也不能给予合理解释。所以说光的电磁理论是不能在光学实践中应用的。

　　总之，光的电磁理论是麦克斯韦“设想”和“推测”出来的，从提出之时就缺乏充分的依据。该理论至今没有得到实验验证，1887年赫兹实验产生的电磁波的波长还大于6mm，频率远低于光的频率，不能用来证明“光是电磁波”。光的电磁波方程是在特定假设条件并不存在的前提下推导出来的，只能是一个数学表达式，它因违反能量守恒原理是不能成立的。它所描述的光电磁波是客观现实中并不存在的平面单色光波；是缺少振源和前进动力的波；是违反能量守恒原理的波。这样的波中E和B没有转换，所以是不能产生的，更是不能传播的。该理论对光的反射、折射现象、干涉和衍射现象、黑体辐射、线状光谱、光电效应等客观规律都不能给予合理解释，因而是不能在光学实践中运用的。所以说光的电磁理论是不能成立的，从而说明光不是电磁波。

本质介绍

　　光的本质究竟是什么？

光子论

　　光的本质是光学理论的关键所在，如果对光的本质认识错误，这样的简光学理论不但不能北皇成立，它必将对光学理论乃至现代物理学产水坏临生负作用，因此，光学急需建立新的关于光的本质的理论。由以上讨论知，光的电磁理论是不能成立的，光不是电磁波。光的“波、粒”说也是不能成立的，光也不可能既是电磁波、又是光子。

　　那么，光的本质究竟是什么？光学急需建立新的关于光的本质的理论。新的光学理论是什么？答案已明显地摆在人们面前，那就是光的微粒说。从光学理论的发展过程简图看出，光学理论的发展过程中，曾有过光的微粒说（牛顿微粒说和爱因斯坦的光子说）、波动说（以太波动说和电来自磁波动说）和“波、粒”说三种学说。

　　由以上讨论知，光的波难劳银承开物久头叶督贵动说（以太波动说和电360百科磁波动说）和“波、粒”说都是不能成立的。所以，光的吗规微粒说便成了关于光的本质的唯一正确的光学理论。光的微粒说是在光学实践中产生的，并得到黑体辐射、线状光谱、光电效应等多种实验的证实，所以，光的微粒说是应当成立的。不过这里所说的微粒是光子，微粒说应称光子说。严格地讲，这里所说的光子和当今所说的光子是不完全相同的，这里所说的光子是实物粒子，具有质量，可常期存在。而当今所说的光子从表面上看虽然也是实物粒子报再语院河责武检，但它没有质量，只能在运动过程中“瞬时”（那怕可存在几亿年）存在，理论家们没有给光子一个苗栖身只地。

　　光要良财示朝的本质是光子，光子是实物粒子。光子和其他实物粒子一样具有“波、粒”二象性。光由光子组成，光子具有“波、粒”二象性，那么由光子组成的光也应当具有“波、粒”二象性。这样得出的“互溶掉天身考虽乙五林光的‘波、粒’二来层能料掌停修福终板象性”学说较前面提到的“光的‘波、粒’二象性”学说要合理而自然得多。为了便于区别，我们把由光子得到的光的“波、粒测投定转拿和春衣史”二象性学说称为光的新“波、粒”说，也叫光子“波、粒”说，内容是：光是光子，具有“波、粒”二象性。把目前流行的光的“波、粒”说称为光的旧“波、粒”说，也叫电磁“波、粒”说，内容是：光是电磁波，具有“波、粒”二象性。光的新“波、粒”说和旧“波、粒”说是有本质区别的，下面将两种“波、粒”说进行比较便知。

　　一、粒子性（粒子）的比较

光子论

　　1、光的新“波、粒”说中的粒子是光子，粒子性是光子表现出来的性质，光子由光电效应、线状光谱、康族律满绿普顿效应等多种实材末过才继能验所证实。

　　2、光的旧“波、粒”说中的粒子也应是光子，但在对该学说的描同及述时从未出现过光是光子的提法。在首肯光是电磁波后，只是提到光的粒子性，而且在对光的粒记燃永子性的解释时，认为粒子性是电磁辐射的不连续分布。在光的旧“波、粒”说中光子的粒子地位没有得到明确的肯定。

　　二、波动性（波）的比较

　　1、光的新“波、粒”说中，波是物质波。光的波性是物质波属性，物质波得到了电子、中子等实物粒子衍射实验的验证。

　　2、光的旧“雷轴营华究鲜吧跟还波、粒”说中，波是电磁波，光的波性是电矢量和磁矢量振动表现出来的。电磁波是麦克斯韦“设想”“推断”出来的，赫兹的实验不能证明光是电磁波。电磁波方程表示的波因电场和磁场没有转化是不班剧板饭永规宣能产生的，也是不能传播的。光的旧“波、粒”说中的波是不存在的。

　　通过以上讨论可知，光的新“波、粒”说是合情合理的，能正确解释光所表现出来的各种现象如：光的干涉、衍射现象，光电效应、康普顿效应。光的旧“波、硫多杆序考企就育另粒”说中，光粒子的地位没有得到应有的肯定，电磁波的存在没有证据，光的波动性和粒子性这一对立的矛盾并没有得到解决。所以说光的旧“波、粒”说和光的弹性“以太”波动理论、光的电磁理论一样，也是不能成立的。在光学中唯一正确的理论就是光的新“波、粒”说，也就是光子“波、粒”说——光是光子，具有“波、粒”二象性。光究竟是什么？我们有充分的理由回答：光的本质是光子，光子的运动产生了光，光束是一群光子流。

爱因斯坦光子论

光具有波粒二象性

　　波粒二象性（wave-particle duality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子。前者的典型例子是光，后者则组成了我们常说的“物质”。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。

光电效应

　　光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电 。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。

光子静质量为0

　　原始称呼是光量子（light quantum），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为γ。其静止量为零，不带电荷，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，E=hv，在真空中以光速c运行，其自旋为1，是玻色子。早在1900年，M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设，物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的，一份一份的，每一份的能量为hv；1905年A.爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性，爱因斯坦称之为光量子；1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念被广泛接受和应用，1926年正式命名为光子。

光子从激光的相干光束中出射

　　光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分子就从基态变成了激发态。

　　光子具有能量，也具有动量，更具有质量，按照质能方程，E=MC^2=HV,求出M=HV/C^2,

　　光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质量。