在說明光的二象性之前 讓我們簡單地回顧光的歷史 17世紀時 人們對光的本質還是爭論不休 一派是以牛頓為首 主張光是一種微粒 而另一派是以惠更斯為首 主張光就像聲波一樣 是一種波動 惠更斯依照他提出的理論 以及光斜向入射水中時 會偏向法線的結果 他預測了光在水裡的速度 會比空氣中慢 但在當時 牛頓因具有崇高的地位 且微粒說可以合理地解釋 當時所觀察到的光學現象 譬如反射、折射 在此同時 牛頓也用微粒說的模型 預測了光在水中的速度 會較空氣中快 微粒說成為當時的主流 然而在18世紀時 楊氏以雙狹縫的干涉實驗 證實了光具有波動性 法國物理學家菲涅耳 更提出明確的繞射理論與實驗 由於波動說成功地解釋了 干涉和繞射現象 漸漸地開始取代微粒說 不久之後 菲佐、傅科 由實驗中測出了光速 同時也測得光在空氣中的速度 較在水中快 不但推翻了微粒說的預測 也使波動說獲得了巨大勝利 後來科學家馬克士威 利用電磁學四大方程式 以理論預測了電磁波的存在 並認為光也是一種電磁波 接著德國物理學家赫茲 設計並實驗證實了電磁波的存在 在此刻所有人都毫無疑問地認為 光就是一種波動 但是1887年 赫茲在尋找電磁波的實驗中發現 照光的金屬可以增強其放電的現象 他的助手雷納對此現象 做了一系列深入的研究 而這個金屬受到光照時會發射電子的現象 就是我們熟知的光電效應 但是在當時 波動說並無法解釋光電效應的實驗結果 直到1905年 愛因斯坦針對這個實驗 提出一個與波動無關的理論 光量子論 它把光視為一個一個能量小包所組成 我們稱這些能量小包為光量子或光子 當電子吸收了足夠的入射光量子能量後 就可以脫離金屬束縛 雖然光量子論成功解釋了光電效應的結果 但是在當時 已經普遍相信波動說的科學界 卻大多無法認同 譬如美國物理學者羅伯特‧密立根 就不贊同愛因斯坦的光量子論 他花了十多年的時間 做實驗研究光電效應 但最後的結果是他不得不承認 他所做的實驗數據是符合愛因斯坦的理論 即便如此 還是有蠻多人對微粒說抱持著懷疑的態度 讓大家可以接受光也是粒子的 是一個著名實驗 康普頓效應 當時美國的物理學家康普頓發現 X光在照射晶體後 其散射後的X光波長不但變長 且散射後的波長和散射角度有關 若以波動說的觀點而言 電磁波X光照射晶體後 會擾動晶體內的帶電粒子 使電粒子加速震盪 並且同時輻射出頻率相同的電磁波 但是康普頓的實驗結果 卻顯示X光散射後波長變長了 在同一介質下 光速並不會改變 這意味著散射後X光的頻率變小了 這個情形違背了波動說的理論 1923年 康普頓發表論文解釋其實驗 內容為將入射的X光視為光子 並與晶體內的電子發生碰撞 根據動量與能量守恆原理 光子的能量部分轉移給電子後 光子的能量變少 導致頻率變小 康普頓設計的實驗非常精確 依理論所計算出來的結果 也與實驗數據非常符合 最終說服了物理學家 接受愛因斯坦的光量子論 1927年的諾貝爾物理獎 也頒給了康普頓以表達他的貢獻 現在問題來了 由干涉繞射的現象 可以知道光是一種波動 然而由光電效應實驗 與康普頓效應知道 光顯現出粒子的行為 那麼光究竟是粒子還是波動呢？ 更進一步來想 假如我們入射一道藍光 做雙狹縫干涉實驗後 再用同一道光源做光電效應實驗 那麼這道藍光究竟是粒子還是波動呢？ 科學家發現 光具有二象性 粒子性與波動性 有時我們會觀察到光展現波動性 有時卻可以展現出粒子性 但是當其中一個特性顯現出來時 另一種的特性就不顯著 無法同時展現兩種特性 這個現象稱為互補原理 在1927年由尼爾斯‧波耳提出 我們來思考一下這個問題 滴在地上的油膜看起來是彩色的 是因為這層油膜的上下兩道光線 會有干涉的情形 假若某波長在該處符合建設性干涉的條件 就可看到該顏色 若符合破壞性干涉 就會看到該顏色的互補色 又因為油膜的厚度每個地方不同 能產生建設性和破壞性干涉的波長也會不同 所以整體看起來就會是彩色的 光的波動性可以解釋干涉 繞射還有折射現象 而光電效應為光的粒子性 所以答案為A, B, C, E 最後統整一下今天學到的重點 我們可以想像光的波粒二象性 就像硬幣的正反兩面 正反面都是硬幣所擁有的 但兩面卻無法同時呈現 譬如反射、折射、干涉、繞射實驗時 光所展現的是波動性 而在光電效應和康普頓效應 光所展現的就是粒子性 一般而言 波長越長的光 較容易顯現出波動性 波長越短的光 則較容易顯現出粒子性 想想看 原來我們認知的光波 居然也可以具有粒子的行為 那麼原來具有質量的粒子 也會有波動的行為嗎？ 歡迎留言分享你的想法 下次見囉！掰掰