光量子假說是怎麼推來的?今天小編帶着各位小夥伴一起來學習一下五分鐘量子力學的第二章光的波粒二象性，下面我們就來聊聊關于光量子假說是怎麼推來的?接下來我們就一起去了解一下吧!

光量子假說是怎麼推來的

今天小編帶着各位小夥伴一起來學習一下五分鐘量子力學的第二章光的波粒二象性。

我們今天不去探讨波粒二象性帶來的哲學問題，這玩意一旦談起來不光是沒頭沒腦，更重要的是科學和神學各說各話無法得出争論的結果，以後我會在專門的文章裡來跟大家探讨。

先來回顧一下波粒二象性被發現的曆史

十七世紀的時候光的波動性就被發現了，光的幹涉和衍射現象以及光的電磁理論分别從實驗和理論兩個方面充分肯定了光的波動性。

1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。

1924年，德布羅意提出“物質波”假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說，電子也會具有幹涉和衍射等波動現象，這被後來的電子衍射試驗所證實。

看看幾個研究光的波粒二象性的實驗吧

其中最有名的實驗就是雙縫實驗（double-slit experiment）了。這是一種演示光子或電子等等微觀物體的波動性與粒子性的實驗。雙縫實驗是一種“雙路徑實驗”。

這個實驗的數學分析比較簡單，這裡就寫詳細一點。今後遇到需要用高等數學表述的地方能不寫盡量不寫。對于數學分析不感興趣的小夥伴可以PASS。

在上圖中A、B分别是兩塊垂直于屏幕的屏,兩個屏的間距為D，在屏A上開有兩條平行的并且很窄的狹縫S1和S2，狹縫的間距為d，D>>d。

同一光源發出的光線穿過雙縫在屏B上産生顔色圖樣。分别以E1和E2表示穿過狹縫S1、S2到達P點的光波振動：

诶呀，寫到這裡突然發現一個問題，自己不會在編輯器裡寫數學公式。算了，這個實驗的數學分析，我就用手寫吧，已經包含在上面的圖片裡了。以後的能不寫盡量不寫，實在需要的就手寫好了。抱歉了，小編偷懶了。

在這種更廣義的實驗裡，微觀物體可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑，從初始點抵達最終點。這兩條路徑的程差促使描述微觀物體物理行為的量子态發生相移，因此産生幹涉現象。另一種常見的雙路徑實驗是馬赫-曾德爾幹涉儀實驗。

雖然光的波動性有大量的實驗事實作為實證，同時也有光的電磁理論作為支撐，但是在上世紀初發現了黑體輻射和光電效應等現象卻揭開了光的波動性理論的局限。

黑體輻射

所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射( 當然黑體仍然要向外輻射)

任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的性質。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關，因而被稱之為熱輻射。為了研究不依賴于物質具體物性的熱輻射規律，物理學家們定義了一種理想物體——黑體(black body)，以此作為熱輻射研究的标準物體。

理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射，并将這些輻射轉化為熱輻射，其光譜特征僅與該黑體的溫度有關，與黑體的材質無關。

從經典物理學出發推導出的維恩定律在低頻區域與實驗數據不相符，而在高頻區域，從經典物理學的能量均分定理推導出瑞利-金斯定律又與實驗數據不相符，在輻射頻率趨向無窮大時，能量也會變得無窮大，這結果被稱作“紫外災變”。

1900年10月，馬克斯·普朗克将維恩定律加以改良，又将玻爾茲曼熵公式重新诠釋，得出了一個與實驗數據完全吻合普朗克公式來描述黑體輻射。但是在诠釋這個公式時，通過将物體中的原子看作微小的量子諧振子，他不得不假設這些量子諧振子的總能量不是連續的，即總能量隻能是離散的數值（經典物理學的觀點恰好相反）。

後來，普朗克進一步假設單獨量子諧振子吸收和放射的輻射能是量子化的。他在論證的過程中提出了能量子的概念和常數h（後來成為普朗克常數），成為了此後微觀物理學中最基本的概念和最重要的普适常量。

1900年12月14日，普朗克在德國物理學會上報告了這一結果，由于這一發現，普朗克獲得了1918年諾貝爾物理學獎。

所謂光電效應就是當光照射到金屬上時，有電子從金屬中逸出，這種電子被稱為光電子。這種現象是1887年由德國物理學家赫茲發現的。

在這個時期，第一個站出來肯定光除了波動性之外還具有粒子性的物理學家就是愛因斯坦。他認為電磁輻射不僅在被發射和吸收時以能量微粒的形式出現，而且這種形式以速度c在空間運動。這種粒子叫做光量子或者光子。

用這個觀點，愛因斯坦成功地解釋了光電效應。1921年，愛因斯坦因為建立光量子理論并成功解釋了光電效應而獲得了諾貝爾物理學獎。

1923年，美國物理學家康普頓在研究X射線的時候發現了一個新現象，就是波長的增量随着散射角的不同而變化，這種現象被稱為康普頓效應。當時參與這個實驗的還有我國物理學家吳有訓，二人共同使用實驗，驗證了康普頓提出的波長跟散射角的關系公式。

愛因斯坦和普朗克的理論揭示了光的粒子性，但也沒有否定光的波動性。這樣光就是同時具有波動性和粒子性的雙重性質，這種性質被稱為波粒二象性。

光的波粒二象性的發現，成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。愛因斯坦和普朗克也因此被并稱為二十世紀最重要的兩大物理學家。雖然後來由于愛因斯坦認為上帝不打色子，不肯承認量子力學中的不确定性原理，但是愛因斯坦仍然是量子力學誕生的最重要的奠基人之一。

我是物理學徒，一個緻力于科普相對論、量子力學、計算機、數學，讓深奧的科學理論通俗易懂起來、讓科學更有趣的科普搬運工。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!