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关于光的本质的探讨 摘要 在科学的历史上，光是什么的问题已经争论了几百年了，虽然现代科学已经给出了结论：光既是波又是粒子。然而，波与粒子是两种完全不同的概念，光怎么可能既是波又是粒呢？光电效应和康普顿效应并不能证明光是粒子，只能证明光具有粒子性。如果引入光的介质，就可以解释关于光的所有性质，而且比学界主流的解释更加符合实际。光不是由光子组成的，也不是运动的电磁场，光的本质就是介质中的机械波，与电场和磁场没有任何的关系。 关键词：电磁波，光介质，电磁场，光子，麦克斯韦方程 引言 关于光是什么的问题，大家认同的有两种答案，一种是波，一种是粒。光到底是波还是粒子？波动派有强大的理论和实验支持，微粒派也有强大的理论和实验支持，双方决定握手言和，得出了最终的结论：光具有波粒二象性，既是波又是粒子。但是，波与粒是两种完全不同的概念，光只能是其中的一种，怎么可能既是波又是粒呢？ 光是粒子吗？ 光是波，是一定频率范围的电磁波，已经得到大家的公认，没有人怀疑，但是光是粒子吗？证明光是粒子的证据主要有三个：第一是光电效应，第二是黑体辐射，第三是康普顿散射，但是，这三个证据都是间接证据，没有任何直接的证据证明光子的存在。 光电效应 光电效应被主流认定为粒子说的最主要的证据，是把光想象成由光子组成的，或者说假设光是由一个个的光子构成的。爱因斯坦假设存在光子，并定义一个光子的能量为hf，并提出了一个关系式：Ek= hf- W0（其中h为普朗克常量，f为光的频率，W0为逸出功，就是电子脱离金属吸引需要做的功），即爱因斯坦光电效应方程，它可以解释了许多的现象，为光的粒子说奠定了基础，并因此获得了诺贝尔奖。但是，爱因斯坦的光子说并不是无懈可击的，其原因如下： A、科学发展到今天，我们仍然不知道光子是什么，晚年的爱因斯坦说过：“整整50年的时间思考，但我还是没有接近光子是什么这个问题的答案。”如果我们连光子是什么都无法回答，如何认定光就是粒子呢？ B、光子说的重点是普朗克常数h和频率f，而不是粒子的动量，E= hf是粒子说方程还是波动说方程呢？波和粒子是水火不相容的两个概念，把光看成是粒子，就无法解释频率、波长、干涉和衍射现象。事实上，爱因斯坦的光电效应解释是介于粒子说和波动说之间的解释，但是，绝对不是粒子说的解释。爱因斯坦是用频率和波长来描绘的粒子，表面上是粒子说的解释，实际是波动说的解释，但是，我们却对此视而不见，仍然把光电效应作为光是粒子的证据。 C、光子说无法解释光电子的运动方向，如果光子说成立，那么，撞击出的电子应是顺着入射光子的方向运动。而事实是：产生的光电子的方向却是与入射光的方向无关。 D、如果光子说成立，那么，光的频率越高，光子的动能越大，光电效应就应该越易发生，但是，当入射光的频率较高时，光电效应反而减弱甚至停止。 E、在光子与电子作用时，必须把金属中的自由电子看作是“束缚电子”，而且光子与电子碰撞时，光子把自己的能量全部传输给电子，然后就消失了。 黑体辐射 黑体辐射的规律能够说明光是粒子吗？我的回答是：不能。 关于黑体辐射强度的计算，普朗克使用插值法总结出了一条公式，也即普朗克公式：，为了解释这个半经验公式，他提出了能量量子化假设：E= hf，但这也仅仅是一种假设，并不能说明光就是粒子，其原因如下： 与光电效应一样，普朗克所提出的能量子也只与光的频率相关，说明光仍然是波； 普朗克假设光是由原子振动产生的，而且是简谐振动，如果假设微观粒子的振动规律符合mωA2=?，波的幅值能量等于hf就能得到很好的解释； 能量只所以是一份一份的，是由于原子的振动方向是随机变化的，所辐射的能量具有方向性。 康普顿散射 康普顿散射也是作为光子说的主要证据之一，康普顿用光子说成功地解释了这种现象。但是，发生康普顿效应后，光既没有被加速，也没有被减速，根本没有表现出粒子受力改变运动速度的性质。无论是在光电效应还是康普顿效应中，决定光的能量的特征物理量都是光的频率，没有出现任何代表粒子性的物理量来计算光的能量的数学式（频率是描述波的性质的物理量）。 康普顿解释这个现象时，还提出了如下假设： 光子不但具有能量E= hf，还具有动量p= h/λ。 碰撞前，电子的能量E= 0.5m0c2，动量为0，光子的能量E= hf，动量p= hf/c，碰撞后，电子的能量E= 0.5mc2，动量p= mv，光子的能量为E= hf’，动量p=hf’/c。 光子与电子的碰撞过程中，能量和动量必须都守恒。 D、光子与电子的碰撞过程中，电子和光子的动量和运动方向必须符合图1所示，或者说，这三个矢量必须符合余弦定理。 图1.光子与电子的碰撞过程 E、电子碰撞后的质量必须符合相对论：。 只有满足上述所有的假设，才能得出与实验相符合的结论：，但有些假设是无法验证的，例如，碰撞过程中，动量及动能是否守