原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收

从光的波粒二象性看量子理论的发展
吴芳茗 2006623179
（华中师范大学物理学院06基地班，武汉，430079）
摘要：本文主要讲述了人们对光的认识的逐步的发展，更新，从而建立起量子理论的过程。
关键词：光，波动说，微粒说，量子理论。
当人们对某个问题不解并加之深入探索研究的时候往往会成为某种学说的的开始。量子力学正式如此。它的发展一开始并不是滔天巨浪，而是潜藏在经典力学大厦下的不和谐的细流，慢慢的积累，终于爆发。
追寻细流而上，首先我们来探讨一下：光到底是什么？
我们的第一反应可能是，光是一种电磁波。接触量子力学后我们坦然的接受了光的波粒二象性这一观点，认为光既具有波动理论中的叠加性也具有粒子理论中的颗粒性，把这一认识作为矛盾的统一体看待。然而，物理学的发展却并不如我们知晓后反观这般轻松，事实上，物理学家对于光的认识是经历了一条漫长而又崎岖的道路的。
早在古希腊时代，人们就开始对光的本质进行探究。在这一时期，人们更倾向于光是粒子流这一说法，即后来的“微粒说”。这一说法被接受在于它能很好的解释光沿直线传播及其经典严格的反射现象。但“微粒说”的不足在于他无法解释为什么两束光相撞是不会弹开。
怀着这些疑问，随着声音是一种波动的认识被逐渐接受，人们开始设想是否光也是一种波，“微粒说”遭到质疑。十七世纪初，笛卡儿(Des Cartes)在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中率先提出：光是一种压力，在媒质里传播。之后，意大利数学教授格里马第(Francesco Maria Grimaldi)通过让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现了在投影的边缘的明暗条纹图像。格里马第联想到水波的衍射，提出：光可能是一种类似水波的波动。于是最早的“波动说”萌芽了。
“波动说”认为光是由于介质的振动而产生的一种波。这种说法解释了投影里的明暗条纹及光束可以互相穿过而互不干扰的这一现象。而对于直线传播和反射，在波长很短的情况下也会表现出类似经典粒子的性质。但是“波动说”一如“微粒说”一般，并不完美：任何波动都需要依靠介质传递，但光却例外。光似乎不需要介质就可以传播，这与“波动说”的假设相矛盾。于是，“波动说”假设了一种看不见摸不着的介质“以太”来作为光波动得以传播的载体。
十七世纪中叶，对于光究竟是什么的探讨，出现了微粒说和波动说两种论调。
胡克(Robert Hooke)在观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉后，判断光是某种快速的脉冲。并在1665年出版的《显微术》(Micrographia)一书中明确地支持波动说。惠更斯继承了胡克的思想，认为光是一种在以太里传播的纵波，并引入了“波前”的概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律。1690年，惠更斯的著作《光论》(Traite de la Lumiere)出版，标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。
但兴盛即预示着衰亡。
牛顿于1704年出版了他的巨著《光学》(Opticks)。在这本书中，牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子的角度解释了薄膜透光，牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。他驳斥了波动理论，质疑如果光如同声波一样，为什么无法绕开障碍物前进。他也对双折射现象进行了研究，提出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难，牛顿则
从波动对手那里吸收了振动，周期等概念，从而很好地解答了牛顿环的难题。在另一方面，牛顿把粒子说和他的力学体系结合在了一起，呈现出了很好的完整性。
但牛顿的理论并不能算完美。物理是美丽和谐的，而牛顿关于光的解说则过于繁琐复杂。终于波动说在沉寂了将近一个世纪后开始了动作。
1801年和1803年，托马斯杨(Thomas Young)分别发表论文，阐述如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象并计算出了光的波长应该在1/36000至1/60000英寸之间。他的理论不足以否定牛顿的学说，但确能够体现出简洁明了的优越性。1819年，法国工程师菲涅耳(Augustin Fresnel)发表论文《关于偏振光线的相互作用》否定前人关于光是纵波的假设而提出光是横波的说法并以严密的数学推理解释了光的衍射及波动说未曾解释的光的偏振问题。泊松将其理论应用于圆盘衍射推算出在阴影中间将会出现一个亮斑，而实验现象表明了泊松亮斑的存在，即肯定了波动说的正确性。
之后麦克斯韦于1856年1861年和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文预言光是电磁波的一种。而这个预言被赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)在1887年通过实验得以证明。实验表明电磁波确实存在并测得其速度为30万公里/秒，即光速。尽管波动说中还存在一些拖累比如说以太，但这并不妨碍波动说的光耀。至此，光的本性似乎已经有了论断。
然而事实并非如此。
1900年开尔文(Lord Kelvin)在名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲中提到迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射研究的两朵“乌云”。其中迈克尔逊-莫雷实验意图测定以太对于地球的漂移速度，测量结果却否定了以太的存在。显然，这一实验事实对波动说给与了致命的打击。
而波动说的负面消息并不止于以太的不存在，它也出现在接下来我们将看到了光电效应中。
早在赫兹的实验中就出现了一个不可解释的现象，即有光照的地方更容易出现电火花。当时他并未重视。而现在，这种现象被越来越多的人观测到即光电效应。众多实验所给出的事实是：首先，对于某种特定的金属来说，光是否能够从它的表面打击出电子来，只和光的频率有关而和光强无关。增加光线的强度，只是增加打击出电子的数量却并不能改变是否能打出电子这一事实。
无疑，这一现象无法用波动说加以解释。因为根据波的叠加原理，足够的强度必然会打出电子，这与实验矛盾。
1905年，爱因斯坦引进光量子的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系：/phλ=，成功地解释了光电效应：Ehv=2/2mvhvW=−。
理论中光子的能量是一份份的，而且并不累计。这与普朗克对于黑体辐射的解释相似。爱因斯坦的这一理论完美的解释了光电效应。从爱因斯坦的关系式中我们不难看出波动性和粒子性是共存的。但这一观点尚未完全被人们接受。
之后的研究表明电子具有波动性才更进一步的巩固了光的波粒二象性。因为电子的粒子性比光更加明显。
这里我们首先要说一下波尔定态模型的建立。
1911年，卢瑟福基于实验发表了不同于汤姆逊枣糕模型的原子模型：一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心，而在这原子核的四周，带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行。然而这一模型的稳定性遭到质疑。1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。波尔的这一理论标志着量子理论有初期的孩童进入了青年时代。然而
波尔理论的不足之处却是明显的，他的理论借用了量子理论但是仍然沿用经典的轨道等概念，并且他的理论只能够解释一个电子的原子模型。
显然波尔理论中有太多不自然之处，比如粒子理论的勉强引入。为了改变波尔理论中种种不自然的引入，法国物理学家德布罗意根据爱因斯坦的理论推算出了电子的内禀的频率并于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。1925年戴维逊(C.J.Davisson)和革末(L. H. Germer)通过实验证明了电子是一种波即证明了德布罗意理论的正确性。1927年，G.P.汤姆逊在剑桥通过实验进一步证明了电子的波动性。他利用实验数据算出的电子行为，和德布罗意的预言完全吻合。至此，电子的波粒二象性得到了完整的阐述。光的波粒二象性为人所认可。
在这同时，1900年，普朗克(Max Carl Ernst Ludwig Planck)符合出了正确的经验公式（与实验数据十分符合）：2/()381BvhvkTvhvdvdvceπρ=−􀀀，其中h为普朗克常量。解决了困扰物理学家们的另一团乌云“黑体”实验值与理论不符的问题。为了解释这一公式，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数为h。这一理论，标志着量子力学的诞生。
参考文献：
《上帝掷骰子吗——量子物理史话》castor_v_pollux
《论量子力学中概念的理解》胡响明
《理论物理基础教程》刘连寿
http://baike.baidu.com/view/2785.html