关于波粒二象性的理解与认识

王文龙

（长庆油田分公司培训中心 陕西西安 710000）

关于波粒二象性的理解与认识

王文龙

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本文介绍了波粒二象性的概念，阐述了该概念在光学和量子力学两方面的重要意义，利用波粒二象性理论解析了与其密切相关的光电效应现象，并叙述了波粒二象性理论的诞生与发展史，希望能增进大家对这一概念的了解。

波粒二象性 理解 认识 量子力学

在近代物理学中，波粒二象性是一个具有极高知名度的词汇。但许多人对其的了解仅限于表面，对其本质概念、意义、诞生、发展的了解程度都不高，本文将于此对这些进行一定程度的介绍说明。

一、波粒二象性的概念

波粒二象性是一种量子力学概念，用于描述一种特殊的物质特征，即物质同时具有波动性和粒子性。最初，这种概念只被用来诠释光的特性，但随着相关研究的不断发展，人们认为所有的微观粒子都具备波粒二象性，该概念的应用和研究领域都得到了极大的拓展。

根据量子力学理论，微观粒子均具有波粒二象性，但在通常情况下往往体现为单一性质。因为当微观粒子体现出波动性时，粒子性会变得不显著，相对的，当微观粒子体现出粒子性时，波动性会变得不显著，两种性质何者体现出来取决于不同的条件。因此，从本质上来看，波粒二象性这种概念也可以看作是在描述微观粒子的这种特殊行为。

如前文所述，波粒二象性最初是爱因斯坦为诠释光的性质问题所提出的，属于光量子学说的一部分。根据该理论，光的构成基础是光子，这是一种光能量子，拥有动能与动量，因此光虽然在宏观上会体现出明显的波动性，但在微观上则是粒子性更为显著，即光具有波粒二象性。这种说法完美地解释了光电效应，因为光电效应中的电子是被光子撞击出去的，而光子带有能量，能量值为光频率与普朗克常数之积（光电效应方程），光子想要击出电子，携带的能量必须达到一定值。根据量子化效应，电子在接受光子能量时只能整份接受，所以光子能否把电子击出取决于每个光子的单份能量，而不是总能量。虽然光强越高，光子数量也就越多，但光强对单份光子的能量并无影响。因此，最终决定光子能否击飞电子的是决定单份光子能量的光子频率，而光子频率同时决定了光的颜色。因为蓝光比红光的频率要高，所以蓝光的单份光子能量更高，这能量会在与电子撞击时整份转移给电子，将电子击飞，由此就引发了光电效应。红光的频率比蓝光低，单份光子能量也低，虽然光强高、光子数量多，但光子均不足以击飞电子，所以无法产生光电效应。

二、波粒二象性的研究发展

1.波粒二象性提出前的相关研究

光是自然界中非常特殊的一种物质，在传统物理的研究中，人们尝试通过光所引发的现象来解析光的本质，但却遭遇了很大的困难与分歧。光既能引发一些只有波才能引发的现象比如折射、反射、散射等，也能引发部分只有粒子才能引发的现象，比如偏振现象、光电效应等。直到爱因斯坦在1905年提出光具有波粒二象性之前，两派物理学家已经为此争论了数百年。在这两派观点中，波动说的理论体系比较完善，能解释绝大多数宏观现象，而且随着横波理论与合成波理论的提出，原本波动性无法解释的偏振现象也得到了解释，因此波动说在历史上相当长的一段时期里都是解释光的性质的主流学说。但该派理论始终无法找到光波载体这种波的最基本要素，所以一直不够完善，光电效应发现后，波动说的根基更是直接被动摇。粒子说的理论体系则相对缺乏完善性，对光的多种宏观波动性现象都缺乏有力的解释，但在波动性理论无法解释的多种现象上，粒子说都可以做出相当完美的诠释。在这种互有优劣的情况下，两派理论被长期争论可以说是理所当然的。

2.波粒二象性的提出

1887年，光电效应被德国物理学家赫兹发现，这种特殊的光效应令波动说与粒子说都陷入了一种尴尬的境地。首先，虽然光的波动说在当时已经成为主流，但波动说完全无法解释光电效应现象。另一方面，一直以来都能解释波动说无法解释的光学现象的粒子说也只能对光电效应做出部分解释，虽然根据粒子说理论，可以认为光电效应中的电子是被光的粒子撞击出去的，但为什么蓝光可以引发光电效应而红光不能，这点连粒子说也无法解释。可以说，光电效应令两派学说同时面临瓶颈。

在这种情况下，普朗克的能量子理论给了爱因斯坦极大的启发，他以此为基础提出了光量子的概念，认为光能量并非连续分布，而是分作无数份彼此集中的，这样一来光就会同时具备波动性和粒子性，即光具有波粒二象性。该理论几乎完美地解释了包括光电效应在内的所有宏观与微观光学现象，引起了物理学界的极大震动，爱因斯坦也凭该理论获得了1921年的诺贝尔奖。

需要注意的是，爱因斯坦虽然提出了光的波粒二象性，但在该理论中，无论是波动性还是粒子性都与经典物理学中的概念有一定的差异。换言之，光作为波的性质不属于经典波，作为粒子的性质也不属于经典粒子。因此，爱因斯坦所提出的波粒二象性更近似于一种概念上的统一，这也是其在量子力学中的应用基础。

3.波粒二象性的研究拓展

光的波粒二象性提出后，作为其基础之一的光电效应方程在1916年得到了实证，此后该概念开始在物理学界得到了广泛的认可，针对其进行的深化和拓展研究也越来越多。在诸多研究成果中，以德布罗意的研究成果最为显赫，他针对波粒二象性理论进行逆向思考，对传统的实物微观粒子进行了重诠释，提出实物微观粒子与光一样具有波粒二象性，这将波粒二象性从光学的理论概念拓展到整个量子力学领域的理论概念，极大地促进了量子力学的发展。

结语：

总体来说，波粒二象性理论为物理学界的发展做出了极大贡献，不仅解释了光的本质，而且奠定了量子力学的基础。但近年来，随着相对论量子力学的进一步发展，该理论也受到了一定的质疑，这会是未来的物理学界极为关注的一个问题。

[1]黄志洵.波粒二象性理论的成就与存留问题[J].北京广播学院学报(自然科学版)，2000(04)

[2]孔令文.论述光的波粒二象性[J].邯郸师专学报，2000(03)

王文龙（1962-），男，汉族，陕西蒲城人，毕业于陕西教育学院数学专业，工程师，现主要从事物理、井控教学。