光/光子是粒子還是波,光子本質理解?
聽聽大家意見
經典物理中,麥克斯韋把光被看成是一種電磁波,沒有任何粒子的特性;對於實物粒子(如電子、中子、質子等)則被純粹地認為是一種粒子,用於構成更複雜的物質結構,進而構成宏觀實體,沒有任何波的特性。
後來,人們發現黑體輻射、光電效應等,無法完全利用光的波動性加以解釋,於是物理學家開始把光看成是一些光子的集合,同時具有波動性,量子力學由此誕生。之後,那些實物粒子也被雙峰干涉實驗發現具有波動性,具有同光量子相同的性質。於是,物理學把這個光與實物的都具有普適特性稱為「波粒二象性」,光與實物由此統一起來。
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下面回到題主的問題。
光的本質就是可見光頻率的光子流,在真空中以光速傳播,與其他微觀粒子一樣具有波粒二象性。從這個意義上講,光是一種概率波。當光的粒子數密度極高,且探測儀器分辨本領遠低於一個光子的能量時,則可以看做是經典電磁波,其傳播遵循 Maxwell 方程組。
光子是一種基本粒子,是傳遞電磁相互作用的玻色子。(如圖)
發光的種類有很多。比如說:原子、分子由高能級躍遷至低能級往往會向外發射光子;熱輻射本質也是電磁輻射,一切不是絕對零度的物質都會向外熱輻射;螢火蟲通過化學反應發射光子。根據量子場論,光子是電磁場量子化之後的直接結果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質,是與分子、原子一樣,是由更基本的結構組成的。而在經典的電動力學理論中,是沒有「光子」的概念的。
關於 Maxwell 經典電磁場理論如何與光子學說統一起來,這裡有一個知乎問題可供參考:如何從量子光學出發,給出波動光學中經典電磁波的電、磁場分量,以及光強等概念的量子對應? - 知乎雖然在別的問題裡面已經答過了,不過,再貼一下:
歪答一個:
假設題主是個男生,有個美麗大方賢惠的女朋友。這位女生,平時的時候小鳥依人可愛溫柔,是個標準的萌妹子。可是,這位女生一個人的時候,也很獨立,上山下鄉,可以背著30kg的裝備登山淌河,去過西藏,爬過雪山,是個堅強獨立的女漢子。
請問,這位女生,到底是萌妹子,還是女漢子呢?
結論是,她就是她,有時候是萌妹子,有時候是女漢子。所以,你用其中之一來描述她,不完整,也不合理。
回來說微觀粒子。很多情況下,(比如高能,經典極限等等),它表現得如一個普通宏觀質點類似;但遇到另一些情況,比如雙縫干涉等等,它會表現得如波一樣。無論是波,還是粒子,都是同一個東西,只是看到了不同的表現而已。
這個問題爭論了300多年了。現在只能用這句話給個結論:所有粒子具有波粒二象性。光也是其中之一。光的波動性可以通過雙縫干涉實驗來證明,光的粒子性可以根據廣電效應來說明。有一種說法就是,如果你期望獲得波動性的結論,並且設計的實驗也是用來證明波動性的,那麼光就會以波動性來表達,否則就會以粒子性來表達。
光子之所以是光子,那是因為發光物質的能級離散導致,而不是光子要成為光子。
回答這個問題,先擺一個最基本的量子力學的實驗。 光電效應:
光電效應示意圖:來自左上方的光子衝撞到金屬表面,將電子逐出金屬表面,並且向右上方移去。 光電效應指的是,照射光束於金屬表面會使其發射出電子的效應,發射出的電子稱為光電子。為了產生光電效應,光頻率必須超過金屬物質的特徵頻率,稱為其「極限頻率」。舉例而言,照射輻照度很微弱的藍光束於鉀金屬表面,只要頻率大於其極限頻率,就能使其發射出光電子,但是無論輻照度多麼強烈的紅光束,一旦頻率小於鉀金屬的極限頻率,就無法促使發射出光電子。根據光波動說,光波的輻照度或波幅對應於所攜帶的能量,因而輻照度很強烈的光束一定能提供更多能量將電子逐出。然而事實與經典理論預期恰巧相反。 這個實驗說明光既有粒子性又有波動性。波粒二象性的處理:測不準原理
德國物理學家海森堡1927年提出的不確定性原理是量子力學的產物2。這項原則陳述了精確確定一個粒子,例如原子周圍的電子的位置和動量是有限制。這個不確定性來自兩個因素,首先測量某東西的行為將會不可避免地擾亂那個事物,從而改變它的狀態;其次,因為量子世界不是具體的,但基於概率,精確確定一個粒子狀態存在更深刻更根本的限制。
粒子的位置與動量不可同時被確定,位置的不確定性與動量的不確定性遵守不等式△χ△Ρ≥h/2 ,其中h是普朗克常數。
原理表明:一個微觀粒子的某些物理量(如位置和動量,或方位角與動量矩,還有時間和能量等),不可能同時具有確定的數值,其中一個量越確定,另一個量的不確定程度就越大。測量一對共軛量的誤差(標準差)的乘積必然大於常數h/4π(h是普朗克常數)是海森堡在1927年首先提出的,它反映了微觀粒子運動的基本規律——以共軛量為自變數的概率幅函數(波函數)構成傅立葉變換對;以及量子力學的基本關係(E=h/2π*ω,p=h/2π*k),是物理學中又一條重要原理。
測不準原理是通過一些實驗來論證的。設想用一個γ射線顯微鏡來觀察一個電子的坐標,因為γ射線顯微鏡的分辨本領受到波長λ的限制,所用光的波長λ越短,顯微鏡的解析度越高,從而測定電子坐標不確定的程度△q就越小,所以△q∝λ。但另一方面,光照射到電子,可以看成是光量子和電子的碰撞,波長λ越短,光量子的動量就越大,所以有△q∝1/λ。再比如,用將光照到一個粒子上的方式來測量一個粒子的位置和速度,一部分光波被此粒子散射開來,由此指明其位置。但人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個波峰之間的距離更小的程度,所以為了精確測定粒子的位置,必須用短波長的光。但普朗克的量子假設,人們不能用任意小量的光:人們至少要用一個光量子。這量子會擾動粒子,並以一種不能預見的方式改變粒子的速度。所以,位置要測得越準確,所需波長就要越短,單個量子的能量就越大,這樣粒子的速度就被擾動得更厲害。簡單來說,就是如果要想測定一個量子的精確位置的話,那麼就需要用波長盡量短的波,這樣的話,對這個量子的擾動也會越大,對它的速度測量也會越不精確。如果想要精確測量一個量子的速度,那就要用波長較長的波,那就不能精確測定它的位置。換而言之,對粒子的位置測得越準確,對粒子的速度的測量就越不準確,反之亦然。經過一番推理計算,海森伯得出:△q△p≥?/2。海森伯寫道:「在位置被測定的一瞬,即當光子正被電子偏轉時,電子的動量發生一個不連續的變化,因此,在確知電子位置的瞬間,關於它的動量我們就只能知道相應於其不連續變化的大小的程度。於是,位置測定得越準確,動量的測定就越不準確,反之亦然。」
這些是最基本的概念,後來又進化出很多公式和定律,在這裡就不多做討論了。
我雖然只是個高中生,但很喜歡量子化學,雖然是化學競賽的,但知識面有限。希望各位多多關照,很開心能找到自己喜歡的話題,謝謝。這個說句實話,雖然波粒二象性很好的解釋了波的粒子性和波動性,楊氏雙縫也實驗證明了其正確性,但是說句實話,這個一直沒定論。我老師對這個也表示雖然它很符合實際有很多實驗也證明了存在,但讓我肯定的說就是這樣,我也不敢說
光子是粒子,其運動軌跡是螺旋線,合成就是波。
光子是電磁波螺桿轉剷出來的粒子,被推著向前。
懶得寫太多文字,能看懂圖最好,看不懂再解釋。一個物理對象可以有多個模型,針對不同的研究目的和研究深度。
幾何光學的話,認為光是直線就行了。
電磁光學,當然要是電磁波了。x射線也屬於電磁光學。
量子光學沒接觸過。這個問題是這樣的。我們先要從歷史的長河裡看這個問題。我想你應該知道光的波動性與粒子性之爭吧。也就是牛頓認為光是粒子,胡克認為光是波。那麼題主有想過為什麼只有粒子和波而沒有第三個選擇呢?比如周粒波(抖機靈)。因為我們物理在研究客觀世界的進程中,其實內心中把能量的傳遞形式分為兩種:一種是以粒子形式發生的,動能定理、動量定理,角動量等,這些都是質點動力學範圍;另一種以波的形式,聲波,水波,電磁波。
所以,人們就想知道光到底屬於哪類。結果也正如你所知,就是發現光既有波動性又有粒子性。注意這後面的性字,這表示光有著粒子和波的性質,但並不表示光是粒子還是波。
根據量子力學或者場論,可以把所有的物質都看成波,而粒子的狀態只是這個波塌縮的一個態。所以,很多實物粒子在一定條件下也表現出了波動性,比如電子的衍射,碳60的雙縫干涉等等。我個人傾向於所有的物質都是波,而粒子不過是其在某一種條件下的表現形式。
近幾年CNS也有很多文章在研究物質波動性與光波本質的,太忙了,先佔個坑吧,之後把幾篇文獻附上來。
無法區別是粒子還是波,因為基本粒子都具有波粒二象性。不同實驗得出的結果得出的結論不一樣。經典電磁學認為光是一種電磁波,對應的雙縫干涉實驗也能證明光的波動性。相對的量子力學就把光看作光子的集合。從不同角度理解光得到的結論也不一樣。
光子既不是波、也不是粒,波與粒只是光子的性質而已、光子具有波粒二象性,你可以簡單的認為光子就是光子、它存在於這個宇宙、它被人觀察到,至於說光子的本質、人類是永遠無法認識到的,用哲學的話說、人類只能觀察與感知事物的表象、但無法認知事物的本質,總結:光子就是光子、光子具有波粒二象性、光子是物質、光子具有能量質量。
橫看成嶺側成,誰知道它到底是個啥
光子就是光子,表現出波動性
光子具有波粒二象性
要我說本質應該是粒子吧 說到底波只是一種模型或者說一種數學上去描述具有「波動性」的「物質(場也算做物質)」的方法,不能把他定義為某個事物的本質(雖然感覺扯定義的話這個事情會變得相當無聊)
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