互动科普

光的“波粒二象性”

爱因斯坦指出光是带有粒子属性的。另一方面，在量子论出现以前，人们一直认为光是一种波。

比如说，我们能看到色彩斑斓的肥皂泡，这个现象背后的原理是光的“干涉”，这是一种波所特有的现象。也就是说“光在具有波的性质的同时，也具有粒子的性质”（所谓的“光的波粒二象性”）。

令爱因斯坦困惑不已的光的奇特性质

但是，既然是波，就是一种在空间中延展存在的东西。通常来说，不能针对空间中的某一点说：“波在这里”。而粒子，就意味着总是在空间中的某一点存在的东西。

如此想来，光怎么能够既是一种波，又是一种粒子呢，这不是相互矛盾的吗？实际上在爱因斯坦发表光量子假说的时候，当时的物理学家几乎都相信光是一种波，所以这个假说也没有立即获得支持。

爱因斯坦自己也被光的这种不可思议的性质困扰了一生。他曾经说：“虽然对‘光量子是什么’这个问题不断地思考了50年，但却从来没觉得接近过答案。”(出自约翰·里格登著《爱因斯坦的奇迹年1905》）

对于这个现代物理学中的不可思议的二象性的解释，我们留到后面再说。

玻尔的原子模型

在20世纪初的物理学界中，还有另一个很大的谜题，这就是关于原子所发出的光的颜色问题。

在盛满氢气的容器中放电，氢原子将会发光。把这束光通过被称为“棱镜”的光学器件后，我们知道光将按照波长进行分解。当时已经知道，氢原子能够放出的光有4种，即红色、绿色、蓝色和紫色。

另一方面，将太阳光或者白炽灯发出的光通过棱镜后，会连续地分解成无数种颜色（或者说是彩虹色）。也就是说，氢原子发出的光的颜色是一段一段的、不连续的。为什么氢原子只发出这些特定颜色的光，令人迷惑不解。

电子的轨道是分立的→发出的光的颜色也是分立的

1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（1885～1962）套用普朗克的量子假说，构造了一个原子模型，该模型认为原子内部的电子所携带的能量也是一份一份的。如此一来，允许电子存在的轨道也就变成是分立的了。

所以，“当电子从高能轨道去到低能轨道的时候就会发光，光的能量等于轨道之间的能量之差。由于电子的轨道是分立的，所以它发出的光的颜色（波长）也就变得分立了。”而且光的能量是由波长（波峰到波峰的距离）决定的。波长长的（更靠近红色）能量低，波长短的（更靠近紫色）能量高。

用这个模型进行计算，结果和实验符合得非常好。原子发出的光之所以是分立的，正是由于电子轨道的分立造成的。

电子的“波粒二象性”

玻尔指出了“原子内的电子只能存在于分立的轨道上”，为什么电子只能存在于分立的轨道上呢？

1923年，法国物理学家路易·德布罗意（1892～1987）指出，既然光能够具有波和粒子的二象性，被认为是粒子的电子就不能带有波的属性吗？(电子的“波粒二象性”)

如果电子具有波的属性，就限制了其可以存在的轨道

电子的轨道应该是围绕着原子核周围的一个圆。德布罗意认为只有在那些周长与电子的波长配合得“非常好”的轨道上，电子才能稳定地存在。图1中，1个波峰（虚线圆外侧）加上1个波谷（虚线圆内侧）算是1个周期，轨道1周中正好有4个周期。图2中正好有5个周期。像这样，电子波与轨道周长满足了一定的关系，电子才可以在这些轨道上稳定地存在。

另外，德布罗意认为像图1’中那样无法满足这种关系的轨道，电子波也无法稳定地存在。在这样的轨道上，也就不存在电子。

不过，人们一直认为电子是一种非常小的粒子。本应该是粒子的电子同时具有波的性质，这到底意味着什么呢？

需要注意的是，根据量子论，单个电子就同时具有粒子和波的性质※。虽然当大量的电子聚集在一起的时候，也可能产生整体的波动行为，但与这里所说的意思并不一样。这里的的意思也不是单个电子自己在蛇形地向前运动。

电子波与电子轨道的关系

在图1和图2中，轨道的周长正好是电子波长的整数倍。德布罗意认为在这样的轨道上，电子是可以存在的。在图1´中轨道长度与电子周长的关系发生错位，在这样的轨道上电子不能存在。

（本文发表于《科学世界》2013年第9期）