电磁波的波粒二象性

在牛顿和惠更斯时代人们对光的认识，更倾向于牛顿的微粒说，而不承认惠更斯的波动说。而在19世纪初，在菲涅尔等人的研究下，人们在发现光的干涉现象和衍射现象以后，物理学家又走向了另外一个极端，即只承认光具有波动性，而不具有粒子性。到了19世纪末期，赫兹在实验室发现光电效应，即在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电现象。这用惠更斯的波动说是无法解释的。

波动说认为，波在传递能量时，其能量与波的频率无关。但是在光电效应下，低于某一频率的光无论照射多长时间，都不产生电流，而在高于某一频率的电磁波照射下，却产生电流。这显然说明电磁波在传递能量时与频率有关。其次还有一个现象与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按照波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累起足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的。这在当时，引起了很多物理学家的困惑。此时爱因斯坦大胆假设，即在认为电磁波具有粒子性的假设下，可以解释光电效应，并给出光电效应方程：

按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成的，当某一光子照射到对光灵敏的金属（如硒）上时，它的能量可以被该金属中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加；如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒的时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。

光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。同样，电磁波既表现出波动性，又表现出粒子性，即波粒二象性。连续的波动性与不连续的粒子性是相互排斥、相互对立的，但两者又是相互联系的。粒子性表现了电磁波的个体性质，而波动性变现了电磁波的群体性质。

1.波动性

电磁波的波动性可用波函数来描述，波函数是一个时空周期性函数，其表达式如下：(www.xing528.com)

其中：X为波函数；A为振幅；ω为角频率；t为时间变量；φ为初相位。振幅表示电场振动的强度，振幅的平方与电磁波具有的能量大小成正比，一般成像时只记录振幅，只有在全息成像时才同时记录振幅和相位信息，正是因为记录了振幅与相位全部信息，所以这种成像方法被称作“全息”成像。电磁波的波动性体现在它具有干涉和行射现象。

干涉现象是两列波在同一空间传播时，空间各点的振动就是各列波单独在该点产生振动的叠加合成。衍射是指光线偏离直线路程的现象。

2.粒子性

粒子性的基本特点是能量分布的量子化、不连续化。一个原子不能连续地吸收或发射能量，只能不连续地一份一份地吸收或发射能量。光能的最小单位，叫作光量子或光子，电磁波的这种特性叫作能量的量子化。光子不仅具有一定的能量，而且还有一定的动量。光子也是一种基本粒子，它具有特定的能量与动量。光子的能量E与其频率ν成正比，即E hν＝；光子的动量与其波长λ成反比，即P=h/λ。式中h=6.626×10-34J·s，称为普朗克常数。