爱华网认识光的波粒二象性
课题成员：张森森、邓海冰、肖森扬、黄升楠、何懿嘉、卢怡冰
【前言】
一年多前，我对宇宙中的星际充满探索的欲望，尤其是我们人类能触及的星球——火星，我对火星的表面为什么是红色的非常好奇，于是我开始研究它，并从中获得了许多知识，还有了自己的猜想。后来，我又对物理学产生了浓厚的求知欲，于是我阅读了许多物理学书籍：《果壳中的宇宙》、《时间简史》、《薛定谔讲的量子物理学的故事》、《玻尔讲的原子模型》、《费曼讲的不确定性原理的故事》等等，使我明白了许多物理知识，而我对光的波粒二象性更是产生了浓厚的兴趣。
【研究过程】
一、研究动机
众所周知，量子论和相对论是近代物理学的两大支柱，两者都改变了人们对物质世界的根本认识，并对20世纪的科学技术生产实践起到了决定性的推动作用。而光的波粒二象性的发展过程，是人类认识物质世界不可缺少的组成部分，如以光的波粒二象性为基础发展起来的光量子学、量子电动力学、信息光子学等，以及现在正在研究的光子的发生与控制的激光技术和产业，运算速度更快的光子计算机，存储量大的光存储技术，代替现行电子通信方式的光通信，全息光技术等都是在波粒二象性基础上进行的研究，它对所有这些科学发展竟然具有如此强大的推动力。鉴于此，我开始踏入了对光的波粒二象性的研究之旅。
二、认识光
1、光的早期认识
古希腊哲学家欧几里得最早提出光束沿直线传播的人，阿尔哈桑认为光线出自于诸如太阳等光源，会被镜面反射，以及在从一种材料进入另一种材料时会因折射而弯曲。哲学家亚里士多德曾指出光的速度是无限快的，但是培根认为光的行进也需要时间，就和声音一样，只不过快了一些。他还绘制了详细的图解，说明光线如何经过透镜和镜面，并且利用阳光在雨滴中的反射和折射阐明了彩虹形成的原理。
2、对光的深入认识
科学家从１７世纪就开始了对光速的测定，最终弄清楚了光速是每秒３０万公里，一秒就能绕地球七圈半。
测出光速的科学家们继而开始对光的本质进行研究。我们点亮灯，灯发出光，光遇到物体之后反射到眼睛里，我们才能看见这个从点灯里发出再反射到我们眼睛里的东西，即光。牛顿认为它是非常小的粒子。
此时又有科学家主张光就是电磁波。电磁波对我们来说不是一个新鲜事物，我们每天都在使用它：比如收音机、电视机、手机通话等都是通过电磁波在传递信号。
光是电磁波这一点是毋庸置疑的事实，可是爱因斯坦发现光是粒子也是可以肯定的事实。人们发现了光作为波动存在的证据，同时又有许多光做为粒子所存在的证据。
三、光是波动
牛顿认为光是一束粒子（他称之为微粒，corpuscle），但是这种观点被波动学说推翻了，后者认为，光像宁静的池塘水面在投入一颗石子后所产生的波纹那样。
1、光的干涉
在英国科学家托马斯·杨于19世纪完成的实验表明两束光能够像波一样互相干涉作用，光作为波的本性似乎是确定无疑的。一旦将光看作是波，光的颜色就有了合理的解释。所谓波长，是纵波从其周期中的一个特定点比如说最高点，波峰到下一个周期中相同点之间所进行的距离。而托马斯·杨所做的实验，又能巧妙地测算出光的波长，用事实证据加以说明，所以轻而易举地推翻了牛顿的微粒说。
2、薄膜干涉现象
光照到薄膜上，由薄膜前、后表面反射的两列光波叠加而成．劈形薄膜干涉可产生平行相间条纹，应注意：干涉条纹出现在被照射面(即前表面)，后表面是光的折射所造成的色散现象。单色光明暗相间条纹，彩色光出现彩色条纹。薄膜干涉应用：肥皂膜干涉、两片玻璃间的空气膜干涉、浮在水面上的油膜干涉、牛顿环、蝴蝶翅膀的颜色等。光照到薄膜上，由膜的前后表面反射的两列光叠加。看到膜上出现明暗相间的条纹。
3、光是电磁波
麦克斯韦指出光波是一种电磁波，提出光的电磁说。1888年，赫兹在实验室证实了电磁波的存在。之后，又进一步证明电磁波跟光波一样能发生放射、折射、干涉和偏振现象；光波和电磁波在真空中可以传播。以上诸多相同并非巧合、偶然，而是光波就是电磁波的缘故。1888年，斯托列托夫发现了光电效应现象，即光（含不可见光）照射到金属表面有电子大出的现象。刚刚建立的光的波动理论又陷入了困境。光究竟是什么？
三、光是粒子
在很多人的眼里，光是无处不在的。比如说电灯、手电筒、电视射出来的光等等，那到底光是处于一个波动状态运动的，还是以粒子状态去运动的，我现在就跟大家讲一讲关于光是粒子的一种分析。
粒子就是微小的物体，比如说原子，原子核，电子，中子质子等等，这些都是组成万物的基本粒子。如果万物间没有粒子，将不会有生物的存在，也不会有任何的植物。我们所讲的光是粒子，就是解释成为光是由一种叫做光子的粒子形成的，而不是波动形成的。
1、反射现象
大多数人承认光是以波动的形式去运动，比如说光射到镜子，明显会被反射，这就是光在波动状态下同时具有粒子性。第一个敢于推翻波动说的人是爱因斯坦，他曾做出了无数的猜想。比如说：广义相对论、狭义相对论以及光电效应的完善等等。
2、光电效应
说到光电效应，是爱因斯坦基于如下理论而说明了光是粒子的想法，在被光所照射的物质上，这些物质内部的一些电子会被光的光子而被动地激发了出来，就是由光产生了电的现象，这就是说明光也是由一种叫光子的粒子所产生的，从而证明光是由粒子组成的。
如果光是波动的话，当这种波动性质的光照在了金属物质上面，金属并不会因光的波动而产生电流，但如果光是以一种粒子的形态去运动，这种粒子性质的光照在了金属物质上面，便会因这种光子射在了金属上面，导致内部的电子被激发出来，产生了电流，这就是光生电，我们可以因这种方式推翻光是波动的这一说法。
爱因斯坦的大胆猜测成为后人的一个话题，到底光是粒子还是波动？
在经过几个世纪的讨论，最终引发出来了最后的结论。光是有二象性的，所谓光的二象性就是光有波动又有粒子的存在，它是以两种方式存在的，这就是光的神奇地方。
四、光的波粒二象性确立
我们有充分的理由认为光既是一种粒子也是一种波。人们总是要把光严格界定为波动或是粒子，可是法国物理学家德布罗意认为如果进入到微观世界这种严格区分是不可能做到的。也就是说光具有波动的性质的同时也具有粒子的性质。两种特性兼备，我们就把它叫做二象性。
波的形式并不仅仅局限于像波浪一样有连续性的这一种。比如巨大的枪声，在近处打枪的话，枪声使耳朵剧烈疼痛，还能使门框哐当作，枪声就是波。粒子飞过来既能打到我们的耳朵，又能使门框振，这时枪声的作用和粒子的作用非常相似。如果不是枪声而是大炮的声音，那么巨大的力量都能把我们的耳朵震聋，把人直接拽倒。在看不清的微观世界里，光既像波动一样起作用又像粒子一样起作用。但是科学家们一直想知道，光从一种粒子转变成一种波是否取决于周围环境？或者是否光一直都是同时表现的即像粒子又像波呢？现在研究人员们第一次设计出了一种新型的测量装置，能够同时探测光即像微粒又像波的表现形式。这种装置依靠的是一种名为量子非定域性的古怪量子效应，这种反直觉的概念归结为同一粒子能够同时存在于两个位置的想法。光子在单个粒子状态的时候它是粒子，然而多个粒子状态的时候它是波动。也就是说，光在传播状态时它的表现是波动性，在静止状态时它的表现是粒子性。
这张插图展示的是光的双重本质，表现的即像粒子又像波。
受艺术家MauritsCornelisEscher作品启发的艺术印象，展现了光在粒子和波表现形式间的连续变化。
【实验研究】
实验一：折射实验——光的波动性
实验时间：2012年11月16日实验地点：家里
实验材料：
三根筷子、三个分别盛有水、盐水和油的透明玻璃杯。
实验目的：
通过折射实验，了解光的波动性。
实验过程：
将玻璃水杯中倒满水，放入一根筷子，观察筷子在水中的现象。
将玻璃水杯中倒满盐水，放入一根筷子，观察现象。
将玻璃水杯中倒满油，放入一根筷子，观察现象。
实验结果：
光从一种介质（空气）进入另一种介质（水）时，传播方向发生了改变。折射规律：传播速度越快，角越大。入射光线、法线、折射光线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线两侧，当光线垂直入射时，折射光线、法线和入射光线在同一直线上。入射角增大，折射角也增大。入射角大于折射角。光垂直入射时，传播方向不变，但光速改变。在光的折射中，光路是可逆的。不同介质对光的折射能力是不同的，在不同的材质中放入不同的液体，折射光线与发现的角度也就不同了，只有波在穿越不同介质时其传播方向才会改变。
实验二：双缝（多缝）衍射实验——光的波动性
实验时间：2012年11月10日
实验地点：家里
实验材料：纸板、灯泡、几张纸
实验目的：
（1）、通过双缝衍射实验，了解光的波动性。
（2）、探讨其散射规律
实验过程：
（1）、在硬纸板中间剪成两个条状的缝隙
（2）、灯泡照射这两条缝隙
（3）、在硬纸板后面放置白纸
（4）、观察白纸上光线的条纹变化
（5）、在硬纸板中间多剪一条缝隙
（6）、观察白纸上光线的条纹变化
实验结果：
出乎意料的是，用一束单色光通过只是被剪了两条缝隙的纸板后的屏幕白纸上竟然出现了四条条纹，这说明光能穿过障碍物，这是衍射的效果，光在通过一对狭缝时能产生干涉图案，这些都证明了光的波动性。这时我突发奇想，是不是缝隙越多，反映在白纸上的条纹就越多呢？通过进一步实验，我发现纸板上有多少条缝隙，那么映在白纸上的条纹则是纸板上缝隙的两倍，也就是说狭缝的个数与波纹的数目呈正比，类似的，像波一样的光能够在拐角处弯曲，发生一种称为衍射的现象，而粒子只能像子弹一样沿直线行进。但是，经过我的仔细观察，这种出现在屏上的条纹并不是干涉条纹，而更像衍射的小孔成像原理，为了提高衍射效率，必须将缝宽缩小得更加接近几百纳这么窄的距离，并且使用白炽灯对于观察衍射现象也有阻挠，使用激光笔将更有利于研究。光的干涉现象、衍射等波动现象需要采用光的波动性来解释，对于这种属性通常叫做光的波动性。就是我们通常所说的光的波动性现象。
实验三：光电效应实验——光的粒子性
实验时间：2012年12月24日
实验地点：家里
实验材料：
万用表、太阳能电池、紫色彩笔、有红外线的电视遥控器、灯泡
实验目的：
通过光电效应实验，了解光的粒子性。
电视遥控器红外线
用红外线用紫色光
实验过程：
（1）、首先用波长较长红外线照射太阳能电池，再用万用表侧其电压
（2）、用波长较短的紫色可见光照射太阳能电池，再用万用表侧其电压
（3）、进行电压对比，并得出相关结论。
实验结果：
在功率相当的情况下，红外线的波长较长，其产生的电流就较弱；而相反，紫色可见光的波长较短，其产生的电流就越强。然而如果光纯粹是波动的话，因为波是连续的，所以不管波长长短，其电压都是一样的，都可以为太阳能电池提供相等的电流；而事实却不是如此，可见光与红外线能提供的电量是有区别的，因此光是由粒子组成的。
实验四：反射实验——光的波粒性
实验时间：2012年11月10日
实验地点：家里
实验材料：
三面镜子、手电筒
实验目的：
通过反射实验，了解光的波粒性
实验过程：
（1）、先拿出一面镜子，打开手电
筒，照射后会在另一个方向上出现一
块光区，这就是反射。
（2）、将三面镜子按照不同的地方放置好，将手电筒照射在其中一面镜子上，这面镜子反射的光线又照在另一面镜子上，然后再反射到另一面镜子上，最后在一个部分出现一块光区。
实验结果：
对于光的认识并不是一帆风顺的，最初就是以牛顿为代表的科学家认为“光是粒子”，爱因斯坦的光电效应也反应了这一点。最直观的表现方式就是光的反射现象，那么如何理解光在反射状态时反应了其粒子性呢？光跟物质相互作用时表现出粒子性。当光斜射到玻璃表面时，可以反射，当反射时，玻璃改变了光的传播方向。好比一个小球，打到一个面上，给面一个力，自身改变了方向。总而言之，反射实验既能表现光的波动性，又能表现其粒子性。
以上多个实验说明：光在传播状态时是波动，在静止状态时是粒子，这就是波粒二象性。
【总结】
光的表现形式体现出其粒子性和波动性，光的波粒二象性是量子物理学的奠基，许多先进技术都是依照它产生的。而笔者当初进行解释性研究的原因是为了对光学知识进一步了解。研究的内容则是光的波粒二象性的有关现象，并举例说明其概念，即对于时间的平均值，光表现为波动性；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。随着研究的深入，我开始试着重现并动手制作简易实验材料证明波粒二象性，并发现实验与事实相符。
【问题的延伸和猜想】
光既是粒子又是波动，通过研究，我终于明白了这一物理原理。
我想经过更加深入的研究，人们一定会发掘出光的更多秘密，也会更加透彻地运用它，创造更多先进的技术和设备！而光的波动性是很多光子相互作用的宏观效应，并不是单个光子自己的作用结果。
一、电子、质子的二象性
而随着深入探究，我发现，科学家德布罗意在发现了光的二象性后，又主张电子、质子等也具有二象性的性质。
二、光辐射
1、蓝光危害
随着时间推移，指褐质在视网膜色素上皮细胞的积聚将使视网膜更容易受到长时间光照的损伤。研究表明，对由于遗传、营养、环境、习惯、年龄等因素而有上述视网膜斑点问题的人群，蓝光特别有害。尽管波长较短的UVA和UVB被角膜和晶状体吸收，但是研究发现，紫外到蓝光波段的光辐射都能造成此类危害。
2、可见与红外危害
电磁波可见部分的波长范围约在380nm到780nm之间，在这个范围内的各种波长，都可凭眼睛的颜色感觉来加以区别。蓝色和紫色属于短波，红色属于长波，黄色和绿色处于可见波长范围的中间，也是人眼最敏感的区域。可见光的最重要的效应就是我们的视觉，视觉是将光能转化为电能或者神经冲动的过程，它的光化学反应就是光物理与光异构化作用。视觉是人类最重要的知觉功能，人类接收的外界信息中的百分之八十到九十来自视觉，可见光使我们能够感觉、认识、记忆这个世界，使我们能够维持我们的方位。可见与红外部分的光辐射危害主要有：灼伤、红斑效应、白内障等。
3、高强度光源辐射
此外高强度的光源光辐射也能对人体造成损伤，如直视激光会引起黄斑烧伤，会造成不能恢复的视力减退，这种伤害是生理性的，往往不能修复。[1]
三、问题的猜想
我猜想，既然光具有二象性，电子、质子等都具有二象性，那么世间万物是不是应该也都具有多重的性质，例如空间甚至时间，多元宇宙等等。好比如有没有什么东西既是圆形又是方形的呢？圆形和方形，这两个图形之间似乎是不沾边的，但是它们结合后不就成了圆柱体吗？而物质也是如此多样的。
【参考书籍】
1、《60秒学物理常识》【英】BrianClegg/著人民邮电出版社
2、《薛定谔讲的量子物理学的故事》[韩]郭泳植云南教育出版社
3、《影响物理学界的是大方程》
4、《玻尔传》【中】邹丽焱/著吉林出版集团时代文化出版社
5、《爱因斯坦传》
6、《寻找薛定谔的猫》[美]JohnGribbin海南出版社
7、《玻尔讲的原子模型的故事》【韩】郭泳植云南教育出版社
8、《可怕的科学——神秘莫测的光》
【致谢】
特别感谢岳老师、邓老师、家长、深大教授的悉心指导。
