德布罗意：波粒二象性理论与光子测量光的能量

光：波还是粒子？

光，即可见光、红外线和紫外线，通常被描述为一种波。人们说光是一种电磁辐射，它以波的形式传播，有不同的波长和频率。

蓝光的波长较小；红光的波长较长，因此，光具有波的特性。但是，到了 20 世纪初，科学家们开始质疑光的波浪特性。

他们发现了新的证据，表明光并非真正的波，而是一种粒子。为了解决这个问题，爱因斯坦、赫兹和德布罗意等著名科学家不得不集思广益，为如何看待光找到了更好的解决方案。他们的贡献促成了现在的波粒相等科学理论。

20 世纪的科学家们发现了光更像粒子而非波的证据。

科学家们早就知道光具有类似波的行为。只有把光看作波，才能充分解释光的许多行为，折射和衍射就是两个例子。

光从一种介质传播到另一种介质时会发生折射，因为波在不同介质中的传播速度不同。同样，光在物体之间或物体周围传播时也会发生衍射，因为障碍物会导致光波弯曲。

因此，很明显，人们说光的行为像波并没有错，甚至在 X 射线晶体学中通过读取干涉图案来利用光的波衍射。

如果需要更多关于光的行为像波的证据，只需想想多普勒效应以及它如何影响我们对光的感知。当天文学家观测遥远的星系时，会发现向我们移动的星系会发生蓝移，而远离我们的星系则会发生红移。

光频的明显变化是由于运动对传播波的影响。运动物体前端的波会聚集在一起。运动物体尾端的波则分开。

人们已经知道多普勒效应发生在声音中，而声音无疑是一种波。那么，如果多普勒效应发生在光中，那么光也一定是一种波，对吗？

光是粒子的证据

光电效应描述了电子在吸收光能时是如何被激发并从物质中发射出来的。1887 年，海因里希-赫兹观察到，如果用紫外线照射带电物体，会产生更大、更快的火花，因为紫外线实际上激发了电子。

其他科学家的进一步研究表明，电子实际上可以在光束的作用下从金属中移除。有一段时间，科学家们认为电子只是吸收了光波的能量，然后利用这种能量跳出金属。

电子吸收的能量越多，它们用来跳出的能量就越大。但事实证明并非如此简单。光能激发电子，使它们跳出金属片。

科学家们尝试增加金属中光的强度。他们认为，更高强度的光会给电子带来更多能量，使它们以更高的能级跳出金属，但这完全没有发生。

相反，电子是在与之前相同的能级上发射出来的，而且数量更多。科学家们意识到，他们的理论错了。如果光真的是一种波，那么电子的能量应该增加，而不是数量增加。

电子吸收能量的方式并不符合的光波理论。那么，如果光真的不是波，它又会是什么呢？

爱因斯坦想出了一个很好的办法来解决这个问题。1905 年，他建议我们有时应该把光看作粒子，而不是波。

如果想象光存在于微小的能量包中，那么我们的所有观测结果都会变得更有意义。把那束光想象成一股微小的能量包。

每个能量包的质量为零，所以它没有任何重量。每个能量包都含有一定的能量，当它撞击到金属时，可以将能量转移到电子上。爱因斯坦称这些能量包为光量子，但现在我们称它们为光子。

光子是一种几乎无质量的粒子，携带少量能量。人们用光子来量化或测量光和其他电磁波的能量。每个光子一次只能激发一个电子。

当光的强度增加时，光子的数量也会增加，因此会从金属中释放出更多的电子。电子的能量不会改变，因为每个光子的能量保持不变。

爱因斯坦关于光子的革命性想法在几十年后才真正得到证实。但今天，光子已成为人们研究光和亚原子粒子的重要组成部分。

波粒二象性

因此，当涉及光电效应等小尺度行为时，光子可以用来描述光。也许光确实是作为无质量粒子流而存在的。

但是，人们所说的那些波的行为又是怎么回事呢？

如果从光子的角度来考虑光，那么折射、衍射和多普勒效应都是没有意义的。面对这些自相矛盾的证据，科学家该怎么办呢？

1924 年，路易-德-德布罗意来了。他的理论认为，每个运动中的粒子都具有波的特性。这后来被称为 “德-德布罗意假说”，但一般被称为 “波粒二象性理论”。

波粒二象性意味着所有物质都同时具有粒子和波的特性。因此，人们可以认为光有时是波，有时是粒子流或光子。

但是，并不是只有光才有同时作为粒子和波的乐趣。波粒二象性理论适用于电子、原子和分子等更大的物体，它甚至可以适用于细菌这样大的物体。

因此，德布罗意认为所有物质都同时具有波和粒子的特性，这基本上是把两种相互竞争的理论合二为一了。

波粒二象性仍然是一种理论，并不能解释物理学中的一切。科学家们仍在努力解决其中的问题，也许有一天我们会改变对这一理论的看法。

但现在，大多数科学家都认为，德布罗意的假设足以解释我们对波、光子和电子的观测。所有物质都可以用粒子和波来描述。光最明显地表现为波，但在某些情况下，它也表现为光子形式的粒子流。

目前，波粒二象性理论已经充分解释了光的本质。

可见光和其他类型的电磁辐射一般被描述为波。折射、衍射和多普勒效应是光的行为，只能用波动力学来解释。

当科学家发现光电效应时，光的波理论受到了挑战。人们观察到，光激发了金属中的电子，因此电子的数量与光量子的数量成正比。

这表明光实际上是粒子流，而不是波。如今，科学家采用了波粒二象性理论，即所有物质都同时具有粒子和波的特性。该理论已在光和亚原子粒子上得到验证，但对于较大的物体，仍在研究其细节。