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向。波形图上的纵坐标表示单位面积上量子以太的个数。
电磁波的这个图象是简单的，和通常波的图象没有太大的区别。从图象上我们可以很直观地看出，它是不连续的，而是具有某种粒子性。 |
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第五章 光的物理本质
第一节 光的微粒说和波动说之争 什么是光？光的本性是什么？每一位涉及到光本质的人都必然会这面临这个问题。 笛卡儿主张波动说，他认为光本质上是一种压力，在完全弹性的、充满一切空间的媒质（以太）中传递，传递的速度无限大。但他却又用小球的运动来解释光的反射和折射。牛顿倾向于微粒说，认为光可能是微粒流，这些微粒从光源飞出，在真空或均匀媒质中作惯性运动，但他在研究牛顿环时，却认识到了光的周期性，使他把微粒说和以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出了自己的解释。可见，不论是笛卡儿还是牛顿，都没有对光的本性作出肯定的判断。 一、早期朴素的波动说 十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。 格里马第设计了一个实验：让一束光穿过一个小孔，让这束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上。他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了。格里马第进行了进一步的实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，这时得到了有明暗条纹的图像。他认为这种现象与水波十分相像，从而得出结论：光是一种能够作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。格里马第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者。 不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。 胡克明确主张光是一种振动，并根据云母片的薄膜干涉现象作出判断，认为光是类似水波的某种快速脉冲。在1667年出版的《显微术》一书中，他写道：“在均匀媒质中，这种运动在各个方向都以同一速度传播，所以发光体的每个脉冲或振动都必然会形成一个球面。这个球面不断扩大，就如同把石块投进水中在水面一点周围的波或环，膨胀为越来越大的圆环一样（尽管要快得多）。由此可见，在均匀媒质中激起的这些球面的所有部分都与射线以直角相交。” 二、牛顿的微粒说与胡克、惠更斯的波动说之争 1672年，伟大的牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》中谈到了他所作的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。引燃了“光的颜色”是波动还是粒子之争的导火索。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。 1672年2月6日，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和色的新理论》基本上持以否定的态度。牛顿开始并没有完全否定波动说，也不是微粒说偏执的支持者。但在争论展开以后，牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳。由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。但一旦争论起来，便必然要分清谁是谁非。 荷兰物理学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。他进一步提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方式与声音类似，而不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。 1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院，并开始了对物理光学的研究。在他担任院士期间，惠更斯曾去过英国,并在剑桥会见了牛顿。相互交流了对光的本性的看法后，惠更斯的观点更倾向于波动说，因此他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后，惠更斯重复了牛顿的光学试验。他仔细的研究了牛顿的光学试验和格里马第实验，认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此，他提出了波动学说比较完整的理论。 惠更斯根据木星卫蚀的推迟得到光速极大的结论，设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的弹性，光的传播就象振动沿着一排互相衔接的钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速度传到最后一个球。他认为，以太波的传播不是以太粒子本身的远距离移动，而是振动的传播。惠更斯接着写道：“我们可以设想，以太物质具有弹性，以太粒子不论受到推斥是强还是弱都有相同的快速恢复的性能，所以光总以相同的速度传播。”这样，惠更斯就明确地论证了光是波动（他认为是以太纵波），并进而以光速的有限性推断光和声波一样必以球面波传播。接着，惠更斯运用子波和波阵面的概念，引进了一个重要原理，这就是著名的惠更斯原理。即波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一原理，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。 如果说这些理论还不易理解，惠更斯举出了一个生活中的例子来反驳微粒说。假设光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。 1669年丹麦的巴塞林纳斯（Erasmus Bartholinus，1625—1698）发现了双折射现象。当他用方解石观察物体时，注意到有双像显示。经过反复试验，他确定是这种晶体对光有两种折射：寻常折射和非寻常折射。 这是继干涉、衍射之后发现的又一光学新现象。对于这种新现象，是否能作出合理的解释，自然是微粒理论和波动理论面临的考验。惠更斯在得知巴塞林纳斯的发现后，立即重复进行了实验。他证实了这一现象，并且观察到在其他晶体，例如石英，也有类似效应，只是效果差些。进一步他还确定寻常折射仍然遵守折射定律，非寻常折射则不遵守折射定律。至于双折射现象的解释，惠更斯很巧妙地提出了椭球波的设想，认为方解石等晶体的颗粒可能具有特殊形状，以至光波通过时，在某一方向比在另一方向传播得更快一些，于是就出现了不同的折射。 惠更斯发展了波动理论。但是由于他把光看成象声波一类的纵波，因此不能解释偏振现象。严格地说，他的波动理论也不能解释干涉和衍射现象，因为那时还没有建立周期性和位相等概念。早期的波动理论缺乏数学基础，还很不完善，而牛顿力学正节节胜利，以符合力学规律的粒子行为来描述光学现象，被认为是唯一合理的理论，因此，直到18世纪末，占统治地位的依然是微粒学说。 就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作《光学》。基于各类实验，在《光学》一书中，牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子；第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的方向上有不同的性质，波动说无法解释其原因。另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾。 为不与胡克再次发生争执，胡克去世后的第二年（1704年）《光学》才正式公开发行。但此时的惠更斯与胡克已相继去世，波动说一方无人应战。而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献，成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高，人们对他的理论顶礼膜拜，重复他的实验，并坚信与他相同的结论。整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。 三、托马斯•杨的波动说 托马斯•杨（Thomas Young，1773—1829）是英国人。17岁时就已精读过牛顿的力学和光学著作。他是医生，在学医时，研究过眼睛的构造和其光学特性。就是在涉及眼睛接受不同颜色的光这一类问题时，对光的波动性有了进一步认识，导致他对牛顿做过的光学实验和有关学说进行深入的思考和审查。 十八世纪末，在德国自然哲学思潮的影响下，人们的思想逐渐解放。托马斯•杨开始对牛顿的光学理论产生了怀疑。根据一些实验事实，杨氏于1800年写成了论文《关于光和声的实验和问题》。在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。 1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。同年，杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。 他说，“当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者非常接近地沿同一方向进入人眼，则在光程差是某一长度的整数倍处，光将最强，而在干涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的。” 托马斯•杨明确指出，要使两部分光的作用叠加，必须是发自同一光源。这是他用实验成功地演示干涉现象的关键。许多人想尝试这类实验往往都因用的是两个不同的光源而失败。 在1807年托马斯•杨的论文中描述了他的双缝实验，他写道：“使一束单色光照射一块屏，屏上面开有两个小洞或狭缝，可认为这两个洞或缝就是光的发散中心，光通过它们向各个方向绕射。在这种情况下，当新形成的两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时，就会形成宽度近于相等的若干条暗带。……图形的中心则总是亮的。” “比较各次实验，看来空气中极红端的波的宽度约为三万六千分之一英寸，而极紫端则为六万分之一英寸。”所谓“波的宽度”，就是波长，这些结果与近代的精确值近似相等。 双缝干涉实验为托马斯•杨的波动学说提供了很好的证据，这对长期与牛顿的名字连在一起的微粒说是严重的挑战。 托马斯•杨说得好：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的。我……遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。” 果然，托马斯•杨由于提出干涉原理而受到当时一些权威学者的围攻，有一位以牛顿学术权威自居的布劳安（HenryBrougham）攻击得最为刻薄，说托马斯•杨的文章“没有任何价值”，“称不上是实验”，干涉原理是“荒唐”和“不合逻辑”的，等等。一二十年间，竟没有人理解托马斯•杨的工作。据说，托马斯•杨为回驳布劳安专门撰写的论文竟无处发表，只好印成小册子，小册子出版后，“只卖出了一本”。 1803年，杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》。他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。 但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”。 虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。 1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。 1809年，法国的马吕斯（Etienne Louis Malus，1775—1812）发现偏振现象，并认为找到了决定性的证据，证明光的波动理论与事实矛盾。然而，托马斯•杨面对困难并没有动摇自己的科学信念，他写信给马吕斯说：“您的实验证明了我采用的理论（即干涉理论）有不足之处，但是这些实验并没有证明它是虚伪的。”经过几年的研究，托马斯•杨逐渐领悟到要用横波的概念来代替纵波，而这正是菲涅耳（Augustin Jean Fresnel，1788—1827）继续发展波动理论的出发点。 1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。 光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。 面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。 四、菲涅耳的波动说 菲涅耳是法国的一位工程师，对光学很感兴趣，他精通数学，因此能在光学的数学理论方面作出特殊的贡献。 1817年1月12日，托马斯•杨写信给阿拉果，告诉他已找到了用波动理论解释偏振的线索时说：“用这个理论也可以解释沿半径方向以相等速度传播的横向振动，其粒子的运动是在相对于半径的某个恒定的方向。这就是偏振。”1818年4月29日，托马斯•杨再次写信给阿拉果，又提到偏振问题，他把光比之于绳索的振动。阿拉果把这封信给菲涅耳看，菲涅耳立即看出这一比喻为互相垂直的两束偏振光之所以不能相干提供了真正的解释，而这一不相干性正可作为杨氏假说的极好佐证。 阿拉果和菲涅耳合作研究光学多年，互相垂直的两束偏振光的相干性是他们共同研究的课题，就这个课题已进行了多次实验，得到了重要成果。1819年，他们联名发表了《关于偏振光线的相互作用》。但是当菲涅耳指出，只有横向振动才有可能把这个事实纳入波动理论时，阿拉果表示自己没有勇气发表这类观点，于是论文的第二部分乃以菲涅耳一人的名义发表。 菲涅耳的光学研究和法国科学院1818年的悬奖征文活动有一些联系。 在法国科学院的悬奖征文活动中，出乎意料地是，不知名的学者菲涅耳（当时只有30岁）以严密的数学推理，从横波观点出发，圆满地解释了光的偏振，并用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实验符合得很好，使评奖委员会大为惊讶。比奥叹服菲涅耳的才能，写道： “菲涅耳从这个观点出发，严格地把所有衍射现象归于统一的观点，并用公式予以概括，从而永恒地确定了它们之间的相互关系。”评奖委员泊松在审查菲涅耳的理论时，运用菲涅耳的方程推导圆盘衍射，得到了一个令人奇怪的结果：在盘后方一定距离的屏幕上影子的中心应出现亮点，泊松认为这是荒谬的，在影子的中心怎么可能出现亮点呢？于是就声称这个理论已被驳倒。在这个关键时刻，阿拉果向菲涅耳伸出了友谊之手，他用实验对泊松提出的问题进行了检验。实验非常精彩地证实了菲涅耳理论的结论，影子中心果然出现了一个亮点。这一事实轰动了巴黎的法国科学院。 菲涅耳于是就荣获了这一届的科学奖，而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮点。 菲涅耳开创了光学研究的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯•杨的波动理论，成为“物理光学的缔造者”。 1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。 至此，新的波动学说牢固的建立起来了。微粒说开始转向劣势。 随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来。一些著名的科学家成为了以太说的代表人物。但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出，以太成为了十九世纪的众焦点之一。 菲涅耳在研究以太时发现的问题是，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体，它又怎么能不干扰天体的自由运转呢。不久以后泊松也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾。 为了解决各种问题，1839年柯西提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质。他试图以此解决泊松提出的困难。1845年，斯托克斯以石蜡、沥青和胶质进行类比，试图说明有些物质既硬得可以传播横向振动又可以压缩和延展——因此不会影响天体运动。 十九世纪中后期，在光的波动说与微粒说的论战中，波动说已经取得了决定性胜利。但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难，却预示了波动说所面临的危机。 |
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四、单光子干涉实验问题
1909年泰勒曾做了一个很奇特的实验。他先在强光下拍摄了一根细针的衍射像，然后减弱光束的强度，延长曝光时间，有一次达三个月之久。当他把光束衰减到只有一个光子进入仪器时，所得到的衍射像与强光短时拍摄的完全相同。泰勒的实验表明，干涉与衍射，并不象人们通常认为的那样，是多个光子同时存在并相互作用而产生的。相反，单个的光子也能产生干涉与衍射。此后，他又作了单光子的双缝干涉试验，结果相同。 单光子干涉试验给光的粒子说提出了这样一个致命的问题：设想当弱光束打在双缝上实现单光子干涉时，一个光子怎么能“部分”地穿过一个缝，同时又“部分”地穿过另一个缝，然后自己的一部分和自己的另一部分发生干涉呢？ 1970年狄拉克明确表明，对于单个光子干涉现象，完全可以用几率幅的概念作出回答。当光子射向双缝屏时，每一个光子穿过每一个缝都有一个几率幅，而在光屏上的每一点也将对应一定的几率幅，这些几率幅的叠加，就形成了干涉图样。 泰勒的试验和狄拉克的解释，向人们提出了一个老问题，这就是如何认识光的本质，当用量子理论描述光子时，究竟什么是最根本的概念呢？是波粒二象性，还是几率幅呢？这的确是长久以来一直没有弄清楚的问题。 五、独立光束干涉试验问题 激光出现以后，曼德尔等人进行了独立光束干涉试验。他们用两只脉冲式红宝石激光器作为两个独立的光源。为了保证条纹的可见度，采用了光电符合技术以消除各种频率漂移使信号产生的干扰。结果获得了条纹可见度为15%的干涉图样。经过改进，完成了高度减弱的两束独立激光之间的干涉。在这一试验中，高度减弱的两束独立激光每一束中一次只能有一个光子入射。也就是说，当一束激光发出一个光子时，另一束激光发光子的几率仅有万分之一。 1971年，拉德罗夫又用另外的方法完成了类似的试验。 独立光束干涉试验给光的粒子说带来一个致命的问题。因为独立光束的 “单光子干涉”发生的是双光干涉，当第一个激光器发出的光束中仅有一个光子奔向控制器时，第二个激光器还未发出光子，第一个光子就已经与第二个尚未到来的光子发生了干涉效应。然而，当把一束激光关掉时，这种干涉就消失了。这就说明光子能预见与它干涉的光子即将到来，提前发生了作用，或者说光子能与 “虚无”发生作用。这是光的粒子说中令人无法接受的致命问题。于是人们看到，在处理光的干涉问题时，光子的概念似乎是不必要的，甚至是多余的。人们看到，当把光的微观客体视为光子时，并不意味着它类似于某种微观微粒，是否是几率幅更为恰当？ 六、拉曼、布里渊散射问题 1928年拉曼（C.V.Raman）在研究液体和晶体内的散射时，发现散射光中除与入射光原有的频率0相同的瑞利散射线外，谱线两侧还有频率为01、02，……等散射线的存在。这种现象称为拉曼散射。这是一种非弹性散射，非弹性散射的散射光频率是与入射光不一样的，也就是说发生了频移。在物质的微结构中，光照射在分子、原子等微粒的转动、振动、晶格振动及各种微粒运动参与的作用下，光的散射频率不再等同于入射频率。 如果光是粒子的话，发生光粒子中的内部反应，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。所以我们可以得到两个结论。其一，就是光本来就不是粒子；其二，就是光粒子被转换成了另一种粒子。然而其二的结论无疑是不可能的。 如果光是一种纯波则很好解释这一现象，例：水面上放一块木板，水波如果功率足够大就会使木板在水面上随波运动，木板运动的结果就会产生与原水波完全不同频率与波幅的水波，这是因为木板所触水面的大小与原波不同，它的共振频率发生了变化的缘故。 光的拉曼、布里渊散射在爱因斯坦时期还没有出现，这是因为当时没有足够功率的光源。到1968年激光器的问世，为拉曼散射实验提供了理想的光源，至此之后，散射的研究才得以长足的进步，但其理论的研究却受制于爱因斯坦的光粒子理论。 光的拉曼、布里渊散射，其实质也就是象前面我们所说的木板水波实验一样，只不过这里应将水波改成光波，木板变为原子、分子等。当激光照射到物质表面，物质运动与产生激光的物质结构肯定是不一样的，所产生的光波的共振频率也一定是不一样的，于是很自然地产生另一种频率的光波。这的的确确、完完全全体现了光的波动性特性。 从以上原理出发，应该说任何光波在一定的条件下都能够产生这种非弹性散射，只要光波能量足够使被光照射的分子和原子运动之后所产生的波能够测试到就行了。非弹性散射的光是很多的，之后也被发现光的康普顿散射也是非弹性散射的，只是康普顿散射所需要的光频率更低一些而矣。 以上实验证明了光通过波的能量传递，它改变了物质中的原子或分子的运动状态，并且同时产生了另外频率的波。既然光能够改变原子、分子的运动状态，它也能够改变电子的运动状态。光决不是什么光子的碰撞，而是交变电磁以太涡旋的传播和共振所形成的波。 七、偏振片问题 取两个相同的偏振片，光是能够通过其中一个的。但是将两个偏振片重迭起来，并转动其中一个偏振片，就会有一个位置，光完全不能通过两个重迭的偏振片。显然这也是光的粒子说所无法解释的，这一试验恰好证明了光是一种横波。 八、光电效应问题 光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。 对光电效应进行了系统的实验研究，发现了如下实验规律：每种金属各自存在一个足以发生光电效应的最低频率n0。当照射光的频率n<n0时，不会逸出光电子。 爱因斯坦的光子假设和爱因斯坦方程成功地解释了光电效应。几十年来，人们没有看到什么事情偏离爱因斯坦方程。但是，随着强度大、单色性好的激光器的问世，新的情况出现了。 1963年Ready等人用激光作光电发射实验时，发现了与爱因斯坦方程偏离的奇异光电发射。1968年Teich 和Wolga用GaAs激光器发射的hn=1.48eV的光子照射逸出功j=2.3eV的钠时，发现光电流与光强的平方成正比。按爱因斯坦方程，光子的频率处于钠的红限频率以下，不会有光电子发射，然而新现象却发生了，不但有光电子发射，而且光电流不是与光强成正比，而是与光强的平方成正比。于是，人们设想光子间进行了“合作”，两个光子同时被电子吸收得以跃过表面能垒，称为双光子光电发射。后来，进一步的实验表明，可以三个、多个、甚至40个光子同时被电子吸收而发射光电子，称为多光子光电发射。人们推断，n光子的光电发射过程的光电流似乎应与光强的n次方成正比。 光电效应的粒子的解释有如下困难：为什么某些激光不遵循爱因斯坦方程？为什么非激光光源不会产生多光子光电发射？ 从光的波动说来看，波不仅具有频率，而且具有振幅。从波的能量方程我们知道，波的能量不但和频率的平方成正比，而且和振幅的平方也成正比。激光正是其振幅巨大的光，它能比同样频率的光具有更高的能量。激光当然不会遵循爱因斯坦方程了。非激光光源因为其振幅太小，能量与振幅的平方成正比的关系可忽略不计。因此光电效应是可以用光的波动说来解释的。而且解释得更加深刻，更加直观和更加合理。激光违背爱因斯坦方程正好说明光的粒子说是错误的，光的粒子说认为光的能量仅与光子的频率有关而与光的振幅无关。因此，客观事实证明了光电效应的粒子解释是有问题的，只有光的波动说才是正确的。 如果再加上干涉、衍射这二个光的粒子说无法解释的问题，光的粒子说就有十个致命问题。 总之，光子不是一种经典粒子，而是一种涡旋振子。也就是说，光是一种涡旋波。 |
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第四节 光的偏振、磁光和光电效应
一、光的偏振 光的偏振是指光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。偏振光包括如下几种： 1、线偏振光，在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。 2、部分偏振光，光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。 3、椭圆偏振光，在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光，逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。椭圆偏振光中的旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合成的结果。 4、圆偏振光，旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。 人们利用光的偏振现象发明了立体电影，照相技术中用于消除不必要的反射光或散射光。光在晶体中的传播与偏振现象密切相关，利用偏振现象可了解晶体的光学特性，制造用于测量的光学器件，以及提供诸如岩矿鉴定、光测弹性及激光调制等技术手段。 二、磁光效应 磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。 1、 法拉第效应 1845年法拉第发现，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。 因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动﹐当光的传播方向相反时﹐偏振面旋转角方向不倒转﹐所以法拉第效应是非互易效应。这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。许多微波﹑光的隔离器﹑环行器﹑开关就是用旋转角大的磁性材料制作的 对磁致旋光效应现象的最简单、最直观的解释是：介质就象微小的偏振片，因为磁场是以太的转动，以太又带动微小的偏振片转动，磁场强度越大，偏转能力也越大。由于偏振片转动了一个角度，所以偏振光也转动了一个相同的角度。显然，偏振光转动的角度与磁场强度和光通过介质距离成正比。 2、克尔磁光效应 1876年由J.克尔发现，入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则不明显。克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴。不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。 克尔磁光效应产生的原因与法拉第磁光效应也是因为磁是量子以太的涡旋，而光是量子以太涡旋传播，这二者相互作用而产生的。 3、塞曼效应 P.塞曼在1896年发现，光谱线在磁场中会发生分裂。是由于外磁场对电子的轨道磁矩和自旋磁矩的作用﹐或使能级分裂才产生的。其中谱线分裂为2条(顺磁场方向观察)或3条(垂直于磁场方向观察)的叫正常塞曼效应﹔3条以上的叫反常塞曼效应。在一定强度的磁场中﹐分裂后谱线的间隔与磁场强度成正比﹔谱线成分沿磁场方向观察是左﹑右圆偏振光﹐而沿垂直磁场方向观察是互相垂直的两种线偏振光。塞曼效应的经典理论解释是H.A.洛仑兹首先提出的。历史上将符合洛仑兹理论的谱线分裂现象称为正常塞曼效应﹐而将其它不符合洛仑兹理论的谱线分裂现象称为反常塞曼效应。量子力学理论能够全面地解释塞曼效应。 塞曼效应的实质是由量子以太的涡旋引起电子轨道的变化。 4、科顿-穆顿效应 1907年A.科顿和H.穆顿首先在液体中发现，光在透明介质中传播时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方。此效应也称磁致双折射。W.佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多。当介质对两种互相垂直的振动有不同吸收系数时，就表现出二向色性的性质，称为磁二向色性效应。 科顿-穆顿效应是由量子以太的涡旋引起介质中光速传播产生各向异常。 三、光电效应 光电效应是把两个金属电极即阴极K和阳极A安装在抽成真空的玻璃泡中，在阳极和阴极之间加上直流电压并串联一个灵敏电流计G。当光不照射阴极K时，玻璃泡内阴极K和阳极A之间的空间无载流子，如果不顾及暗电流的话电阻为无穷大，没有电流流过G。当有光照射阴极K时，便有光电子从阴极飞出，在电压作用下，飞向阳极A，G中便有稳定的光电流流过。 1899——1902年，赫兹的助手勒纳德利用各种频率和强度的光，对光电效应进行了系统的实验研究，发现了三条实验规律。 1、当一定频率的光照射金属阴极K时，只要阴极与阳极之间有足够的加速电压，光电流正比于光强。 |
