拉曼散射和布里渊散射在《固体物理》下册才提到,属于研究生课程。由此可见,该文作者的确有相当的水平。
先引该文的一段原文:
“然光的拉曼、布里渊散射现象并没有发生什么剧烈的物理反应,而使光的频率变低了。然而致今还没有人发现光频率变高的现象(应该说没有可能变高)。无论是爱因斯坦光的粒子理论,还是现代的量子理论都无法进行解释!”
上述文字存在两个错误:
1)光的拉曼、布里渊散射的散射光谱不仅包含频率比入射光低的谱线,同时还包含频率比入射光高的谱线;也就是说,不仅发现光频率变低的现象,同时也发现了光频率变高的现象,而不是“没有可能变高”,只是后者的强度比前者弱很多。
2)这个现象并不否定光的粒子性,可以用量子理论来解释。
让我们先看看该文作者是如何“证明”拉曼、布里渊散射否定了光的粒子性的:
“如果光是粒子的话,发生光粒子中的核反应,却没有一点点的外部特征,这是不可能的。或许还可以理解成光子被完全吸收后,从被照射物里重新发射出的,属于被照射物内部的另一类光子。不过这也是不可能的,因为如果是这亲样,过一段时间后,拉曼、布里渊散射应该就停止了,原因也很简单,被照射物中所具有的光子应该是有限的,不是无限的。事实却完全不是这样,无论光照多么长的时间,拉曼、布里渊散射照常发生。这就说明,拉曼、布里渊散射是入射光转换出来的,而非被照射物内部所具有的。”
在给出量子理论的解释之前,首先需要解释一下“光具有粒子性”的真实含义。
在经典概念中,“粒子”一词使我们想到的是一个具有一份确定的能量,同时在空间具有确定位置的实体。而当我们说光具有“粒子性”的时候,并不是说光不该用波来描述,而是指光与其他物质相互作用的时候,其传递的能量不是象经典波那样可以连续取值,而是一份一份的,仿佛是在传递一个一个的“粒子”,每一份能量就称为一个“光子”。事实上,“光子”并没有确定的空间位置,所以它并不是经典概念中的“粒子”,说它是“粒子”仅仅是因为它具有一份确定的能量。这也是物理学界只说“光具有粒子性”而不说“光是粒子”的原因。
详细给出拉曼、布里渊散射的解释是比较困难的,因为这涉及到光与介质内部运动的相互作用。我只能简单地说明一下微观过程的物理图象。
入射光进入介质之后,有一部分能量被介质吸收。这种吸收是一份一份的,每一份能量就是一个“光子”。介质原先处于较低的能量状态,吸收一个入射“光子”之后,自身处于较高的能量状态。但这个状态不稳定,所以介质最终还是要把这能量释放出来。这种释放有两种方式:
1)介质直接回到原先的状态,同时放出一个与入射光子能量相同(频率因此也相同)的“光子”;此时,我们得到频率等于入射光的散射光,但方向与入射方向不同,即弹性散射光。
2)还可以分两步进行:介质先变化到一个中间的能量状态,同时放出一个比入射“光子”能量小一些(所以频率低一些)的“光子”;然后介质再把剩余的能量用来增强自身的内部运动,比如使自身的温度升高。这样,我们就得到了频率比入射光低的非弹性散射光。
那么,频率比入射光高的散射光又是如何产生的呢?刚才我们说到,介质在吸收了入射光子的能量之后,可以分两步释放能量。当介质放出一个比入射“光子”能量小一些的“光子”之后,将处于一个中间能量状态。这时候,如果介质恰好又吸收了一个入射“光子”而处于更高的能量状态,然后介质直接回到原先的状态,那么它将放出一个能量比入射“光子”高一些的“光子”。这样,我们就得到了频率比入射光高的非弹性散射光。但是,发生这种过程的机会很小,远远小于产生频率比入射光低的“光子”的过程,所以频率高于入射光的谱线强度比频率低于入射光的谱线要弱得多。
因此,该文作者所说“这就说明,拉曼、布里渊散射是入射光转换出来的,而非被照射物内部所具有的”是正确的,但这并不成为反对“光具有粒子性”的理由,也不妨碍量子理论给出合理的解释。在拉曼、布里渊散射过程中,介质内部也的确发生着物理变化,只是这种变化的微观过程涉及的主要是整个介质吸收(放出)一个“光子”,所以介质的宏观变化并不剧烈。
丁一宁的回复:
第一个错误或许存在,只是我没有仔细研究,但并不影响我的结论。我所以要指出第一个问题是在于我想说明光的传递存在衰减现象,而不会出现增强现象。或许是我画蛇添足吧。
第二个问题先生就没有道理了,至始至终先生都在说一个事,能量转换!这是量子物理学中最常用的一种错误方法。即粒子性不行了用波动性解释,波动性不行了用能量转换解释,能量转换不行了发明一种测不准原理进行解释。在量子物理学中为了解决粒子性出现的矛盾,将原先形容的粒子的概念都改变了。爱氏不是这样形容过吗:光子是与电子、中子、质子一样的微粒。试问电子、中子、质子能量有大小,但它们的质量随意改变吗?在拉、布实验中,光子质量能随意改变能与我们常见的微粒等同吗?
所有的事实只能证明一件事:光不是粒子。因为波本身就是一分分的,君不见海浪就是一个个打来的吗?普朗克的黑体辐射公式应该用波动性解释才符合客观实际,而用粒子性解释只能造成越来越多的漏洞!
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