“光的本性”几个易混淆问题释疑

“光的本性”一章研究光的现象较多，令人难记．定性的多，较难分析解释，有些概念比较抽象，颇费理解．教学中，对于一些易混淆的问题应向学生讲解清楚，帮助他们深刻认识光的本性．

问题１　关于光的本性有几种学说？各种学说的代表人物是谁？

释疑　在研究光的本性的历史上，具有代表性的学说有五种．

（１）微粒说　这个学说是１７世纪末提出的，代表人物是牛顿．牛顿根据光的直线传播、光的反射和折射、光具有能量等特点，提出光是由一种具有完全弹性的球形微粒大量聚集而成的，这些微粒在均匀介质中以极高的速度做直线运动．

（２）波动说　这个学说的代表人物是与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯．他根据光与机械波有类似特征，提出光是以光源为振源的某种振动，光是在一种特殊的弹性物质“以太”中传播的弹性机械波．但实验证明这种“以太”物质是不存在的．

从现代光学论来看，微粒说和波动说都没有能揭示光的实质．在当时的实验条件下各自只能解释一些光现象，但又有一些无法解释的问题．

（３）电磁说　这个学说的代表人物是麦克斯韦．１９世纪后期，麦克斯韦根据理论上得到的电磁波的速度与实际测得的光速相同、电磁波和光都可以在真空中传播而不需要介质等，预言光是一种电磁波．后经赫兹实验证实电磁波确实存在，这样光的电磁说就诞生了．

经过一系列科学家的努力，测出了光波的波长，并同各种电磁波一起组成了排列有序的电磁波谱，光作为一种电磁波在电磁波谱中占据了它应有的位置．光的电磁说使光的波动理论发展到了相当完美的程度，取得了很大的进步，使人们在对光的认识上跨进了一大步．

（４）光子说　这个学说的代表人物是爱因斯坦．光子说的要点是：光由光子组成，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子具有能量Ｅ＝ｈν．

（５）光的波粒二象性　现在，科学家对光的本性的认识是：光具有波粒二象性．个别光子的行为显示出波动性；频率越高的光子，能量越大，粒子性越明显，但这种粒子又不同于宏观现象中的质点；大量光子的作用显示出波动性，频率越低，波动性越明显，但它又不同于机械波，亦不同于电磁振荡产生的电磁波．

问题２　光的波粒二象性是不是折衷主义？

释疑　对光的本性的认识，历史上曾发生过两次否定．第一次是波动说取代微粒说，但是第二次当光电效应等现象发现之后，并没有取消波动说，而是提出波粒二象性，这是不是搞折衷主义呢？不是，因为这两次否定的性质是不同的．第一次，波动说与微粒说两种学说本身是不相容的，光的干涉、衍射现象的发现及光速测定，证明微粒说是错误的．波动说能解释包括微粒说可以解释的一切光现象，使微粒说没有再存在的理由．这次否定是彻底的．第二次的情况不同，光子说与电磁说均可以解释某些实验，但又都不能被完全取代，所以都有存在的理由，而且光子说作为电磁波说的对立面理论提出来是相容的．光子能量Ｅ＝ｈν中的频率ν正是波的特性的描述，更重要的是，实验也证明了个别光子表现出粒子性，大量光子表现出波动性．由此可见，光的波粒二象性不是互相对立的实验现象的折衷，也不是理论上的权宜之计，而是对光的本性的科学概括．

值得说明的是，光的波动性（电磁说）和粒子性（光子说）不同于宏观机械波（波动说）、宏观质点（微粒说）．

问题３　白光经三棱镜色散后得到的彩色条纹与白光通过双缝干涉后得到的彩色条纹的图样和形成过程有何不同？

释疑　它们图样的不同点是：三棱镜产生的彩色条纹图样是七色光带连续排列的，光带较宽，色光只能出现一组．而双缝干涉图样在中间有一明亮的白光带，以此为中心，七色光带向两侧延伸，可以看到若干组彩色条纹，并逐渐暗淡，各组彩色条纹间以暗条纹相间．

它们图样的形成过程有本质区别：双缝干涉形成的彩色条纹中，每一种颜色是由两列波叠加使某种色光相互加强而成．三棱镜色散而成的彩色条纹中的每一种颜色，却是由组成白光的各单色光经棱镜折射后产生不同程度的偏折，从而相互分开形成的．

问题４　光的干涉与衍射有何区别？

释疑　光的干涉与衍射都可以得到明暗相间的色纹，都有力地证明了光的波动性．但是，产生这两种现象的条件是不同的．光的干涉现象需要相干光，即两列振动情况总是相同的光源，在同一介质中相遇．例如从楔形肥皂膜上观察到的钠黄光的明暗相间条纹，或从水面油膜上观察到的彩色条纹，就属这类情况，从薄膜的前后表面反射出来的光就是相干光．而光的衍射现象产生的条件是障碍物或孔的线度与光波波长可以比拟的情况．例如从小孔观察点光源或从狭缝观察线光源就属这种情况．光经过小孔或狭缝产生非直线传播的现象，此时便可在光屏上形成明暗相间的条纹．其次，干涉条纹与衍射条纹也是有区别的，以狭缝为例，干涉条纹是相互平行、等距（宽度相同）的；而衍射条纹是平行而不等距的，中间最宽，两边条纹宽度逐渐变窄．