光的波粒二象性及其与光学教程中的光现象的关系

光的干涉、衍射、偏振等现象，说明光在传播过程中具有波动性，而黑体辐射、光电效应、康普顿效应，说明光在与物质相互作用时具有粒子性。因此，光具有波粒二象性。事实上，这种二象性是光在不同场合下表现出来的两种属性。在光的传播过程中，光的波动性占优势，因此产生干涉、衍射等现象，必须用波动理论来解释；而在光的辐射、吸收或光与物质相互作用的过程中，光的粒子性占主导地位，因此产生热辐射、光电效应等现象，必须用光的量子理论来解释。

按照爱因斯坦的量子理论，频率为ν的光子具有如下的能量E和动量P：

式(7-26)中，能量E和动量P是描述粒子特征的物理量，而频率ν和波长λ是描述波动特征的物理量，光的这两种性质通过普朗克常量h定量地联系起来，爱因斯坦公式(7-26)表明，光子同时具有波动-粒子两重性。对长波和低频的光子，其能量和动量较小，波动性明显(如长波无线电)；对短波和高频的光子，其能量和动量较大，粒子性明显。(www.xing528.com)

通过光的衍射实验可进一步理解光的二象性之间的关系。实验中，若强光入射即单位时间内有很多光子衍射，则照相底片上立即出现衍射花样，显示出光的波动性，这种波动性是否是光子之间相互作用的结果呢?实验时，用弱光入射，光子几乎是一个一个地衍射，照相底片上的感光点开始时是毫无规则地散布着，随着时间的延长，感光点数目逐渐增多，最终形成同样的衍射花样。这说明，波动性不是光子之间相互作用的结果，而是光子本身具有的属性。单个光子经什么路径，出现在什么地方，它的运动轨迹是不确定的，而大量光子的运动表现出规律性，这种规律与波动理论计算的结果相一致。可见光的波粒二象性可与统计的观点建立联系，大量光子同时通过和一个一个光子通过之间的差别仅在于前者是对空间的统计平均，后者是对时间的统计平均。在前一种情况下，从空间上看，光子在某些地方出现得稠密些；在后一种情况下，就是从时间上看在这些地方光子出现得频繁些。可见，在某一时刻光波在空间某点的强度就是该点找到光子的概率。光波的强度大的地方，每个光子在这里出现的概率也大，这里出现的光子也多；光波的强度很小或等于零的地方，光子出现在这里的概率也很小或等于零，出现在这里的光子很少或没有。这种统计的观点，统一了粒子概念和波动概念。一方面光子具有集中的能量、动量、质量，也就是具有粒子性；另一方面它在各处出现，各有一定的概率，由这个概率可以计算出它的空间分布，这种空间分布与波动的概念一致。