光子,准确的名称应该叫“光量子”。这是爱因斯坦根据光电效应提出的一个概念,它准确含义是一个微小的能量单位。
说到光子,就不能不给大家讲一个可见光和光子之间关系的故事。
太阳光,月亮光,火光,闪电光,莹光,极光…,这些都是自然光。
电弧光,激光,电灯光,LED光……,这些都是人造光。
还可以按照发光原理分为物理发光,化学发光等。
我们把上面这些光通称为可见光,即人类眼睛能够感受到的电磁波。在物理学上中,光有时候被作为电磁波的同义词。比如光速C,就是指全部电磁波的传播速度。光电效应中的光,是指一定频率段的电磁波(包括部分可见光)。为了避免混淆,我们这里提到的光,都是指可见光。
由于麦克斯韦的电磁学方程,能够全面正确地解释可见光在传播方式和传播速度方面的特征,所以现代物理学界公认,可见光的本质是电磁波。
说到波,大家很自然会联想到水波,声波。其实,所谓的电磁波传播并非如水波或者声波那样的波浪式传播,而是电场和磁场的交替链接传播。这是麦克斯韦的电磁场理论基础。
所谓的光的波粒二象性,是指科学家通过“双缝试验”,发现可见光同时具有波和粒子的特征。这里的波特征,是借用水波或者声波的相互干涉现象。粒子特征自然是指其沿直线传播的特征了。
双缝试验
1887年,德国科学家赫兹发现了光电效应:即在一定条件下,一定频率的电磁波(包括可见光)照射可以引起某些材料的表面及内部产生电流或电场变化。后来经其他科学家研究陆续发现,相反的过程同样存在 。
光电效应的实际应用例子:太阳能电池,光敏电阻, 数码相机,发光二极管,激光发生器,电脑和手机显示器屏…等等。
爱因斯坦借用量子力学假说,结合光的波粒二象性,提出了“光量子”概念,成功地解释了光电效应。并因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。从此以后光量子概念就流行于现代物理学。为了有别于量子力学中“量子”概念,简称为“光子”。
上面讲述的就是光子和可见光的故事。
但现代物理学界对光子是否是真实存在的实体粒子,是存在争议的。原因有以下方面:首先, 是否所有的可见光都具有波粒二象性?这是一个需要相应试验结果的来证伪的问题。其次,光子概念能否适用于所有光源的发光机理?也是一个需要证明的问题。
第三,根据可见光具有波粒二象性,并不能必然推出全部电磁波都具有同样性质的结论。最后,根据电磁谐波假说也可以解释可见光的波粒二象性。
综上所述,科学探索无止境。关于光子问题的探索和讨论,将继续进行下去,直到电磁波的秘密被完全揭开为止。
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