光的粒子説

光的折射：光從一種透明介質斜射入另一種透明介質時，傳播方向發生偏折，這種現象叫光的折射。

1、光垂直射向介質表面時（折射光線、法線和入射光線在同一直線上），傳播方向不變，但光的傳播速度改變。

2、在光的折射中，光路是可逆性的。

3、不同介質對光的折射本領是不同的。空氣＞水＞玻璃（折射角度）{介質密度大的角度小於介質密度小的角度}

4、光從一種透明均勻物質斜射到另一種透明物質中時，折射的程度與後者分析的折射率有關。

5、光從空氣斜射入水中或其他介質時，折射光線向法線方向偏折。

6、入射角的正弦值與折射角的正弦值的比等於光在兩種介質中的速度比、波長比。

即sin i /sin r =v1/v2=n=λ1╱λ2（n為折射率，λ為波長）

一種光學現象，指光在傳播到不同物質時，在分界面上改變傳播方向又返回原來物質中的現象。

在反射現象中，反射光線、入射光線和法線都在同一個平面內（反射光線在入射光線和法線所決定的平面內）；反射光線、入射光線分居法線兩側；反射角等於入射角。這就是光的反射定律（reflection law）。簡稱為三線共面，兩線分居，兩角相等

在反射現象中，光路是可逆的。

光的折射與光的射一樣都是發生在兩種介質的交界處，只是反射光返回原介質中，而折射光則進入到另一種介質中，由於光在在兩種不同的物質裏傳播速度不同，故在兩種介質的交界處傳播方向發生變化，這就是光的折射。注意：在兩種介質的交界處，既發生折射，同時也發生反射。反射光光速與入射光相同 ，折射光光速與入射光不同。

17世紀的笛卡兒是一個對科學思想的發展有重大影響的哲學家，他最先將以太引入科學，並賦予它某種力學性質。

在笛卡兒看來，物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質來傳遞，不存在任何超距作用。因此，空間不可能是空無所有的，它被以太這種媒介物質所充滿。以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球對潮汐的作用力。

後來，以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動學説相聯繫。光的波動説是由胡克首先提出的，併為惠更斯所進一步發展。在相當長的時期內（直到20世紀初），人們對波的理解只侷限於某種媒介物質的力學振動。這種媒介物質就稱為波的荷載物，如空氣就是聲波的荷載物。

由於光可以在真空中傳播，因此惠更斯提出，荷載光波的媒介物質（以太）應該充滿包括真空在內的全部空間，並能滲透到通常的物質之中。除了作為光波的荷載物以外，惠更斯也用以太來説明引力的現象。

牛頓雖然不同意胡克的光波動學説，但他也像笛卡兒一樣反對超距作用，並承認以太的存在。在他看來，以太不一定是單一的物質，因而能傳遞各種作用，如產生電、磁和引力等不同的現象。牛頓也認為以太可以傳播振動，但以太的振動不是光，因為當時光的波動學説不能解釋光為什麼會直線傳播。

以太首先是個哲學概念，而物理學家總是期望將它變成物理學概念。當一切尋找以太粒子的努力失敗後，他們拋棄了以太。但是事實上，他們拋棄的僅是發現以太粒子的希望，而以太這個哲學概念在他們的頭腦中反而變得更加根深蒂固了，幾乎所有人認可了更微觀結構存在可能性，努力發現其運動規律，並取得了令人興奮的結果，更多的微觀運動規律被提出驗證，微觀物理學進入了黃金時代。

愛因斯坦在建立廣義相對論時，就提出了三個實驗，並很快就得到了驗證：（1）引力紅移（2）光線偏折（3）水星近日點進動。其中光線偏折實驗有力證明了光的粒子説。

光線偏折：如果按光的波動説，光在引力場中不應該有任何偏折，按半經典式的"量子論加牛頓引力論"的混合產物，用普朗克公式E=hv和質能公式E=Mc^2 求出光子的質量，再用牛頓萬有引力定律得到的太陽附近的光的偏折角是0.87秒，按廣義相對論計算的偏折角是1.75秒，為上述角度的兩倍。1919年，一戰剛結束，英國科學家愛丁頓派出兩支考察隊，利用日食的機會觀測，觀測的結果約為1.7秒，剛好在相對論實驗誤差範圍之內。引起誤差的主要原因是太陽大氣對光線的偏折。最近依靠射電望遠鏡可以觀測類星體的電波在太陽引力場中的偏折，不必等待日食這種稀有機會。精密測量進一步證實了相對論的結論。

光和物質間的相互作用力使光的運動方向發生改變即折射。我們平時所説的光是一種質量和體積非常小運動速度比較高的物質。光和其它物質有相同的性質。

1.光在宏觀領域的折射：

在宇宙中，光經過天體附近區域時，光和天體間的相互引力作用使光運動路線向天體方向較顯著彎曲（折射）。

2．光在微觀領域的折射：

如圖1中圖一所示：該圖是光折射實況縮小了約10倍圖，

光在介質內外各有一秒鐘的行程，綠色長方體示絕對摺射率n=1.5的透明介質，黑線L示法線，紅線示光由A點以90度入射角射至點O，經O點折射至B，藍線示光的餘速度V餘，黃線Vs示光在介質中平行於界面的速度，Vh示光垂直於界面的速度。光在O點附近和介質間有兩種較明顯的相互作用力效應。

2.1．其中一種相互作用力是“動斥力”作用：無論光以何種角度射入介質都會和介質發生同樣大小的“動斥力”相互作用（都須要做同樣大小的入射功）,光射入介質後速度都要降低。由圖1中圖一看出光進入介質後平行於界面的速度僅剩下V餘=C/n。光進入介質與磁體進入閉合的電磁線圈的過程相似，它們都要和對方發生“動斥力”相互作用，都要做入射功，都要降低入射速度。

2.2．光在O點和介質的另一種相互作用力是光和界面間的相互引力：如圖1中圖二所示：該圖是約放大10倍的示意圖，OC線距離界面設為h=10米。光原來沒有垂直於界面的運動速度，光在介質中垂直於界面的速度Vh是由它們間的相互引力作用產生的。

3用“光和物質間相互作用力理論”計算光折射的方法比用“光折射定律”計算更快捷。

以圖2中圖三為例，圖三是光折射實況縮小約10倍示意圖，光在介質內外各有一秒鐘的射程，設：光以入射角a=60射入折射率n=1.5的介質，求光在介質中平行於界面和垂直於界面的速度各是多少？

3.1設光在介質中平行於界面的速度為Vs，無須求折射角即可直接求出該值，因為

Vs=sina V餘=sinaC/n=sin601.333X10米/秒

Vs =1.155X10米/秒。

3.2設光在介質中垂直於界面的速度為Vh:

Vh=（V- Vs）=1.633X10米/秒

4“用光和物質間相互作用力理論”計算光在介質中垂直於界面速度的另一種求法更精確：

如圖2中圖四所示，

4.1.求V餘垂直於界面的分矢量Vh1

Vh1=cosa V餘=0.66667X10米/秒

4.2.求引力作用產生的速度Vh2

由引力公式得出光和介質間的平均引力加速度A，

A=C（n-1）/2hn=1.111X10米/秒

由作用距離得平均引力加速度作用的時間T，設H=10米

H= Vh1T+AT∫dT

解得T=0.869693845X10秒

Vh2=AT=0.966326495X10米/秒

4.3.最後求出光垂直於界面的總速度Vh

Vh= Vh1+ Vh2=1.63299316X10米/秒

通過以上運算我們看到:用“光和物質間相互作用力理論”，計算光折射的數據比用“光的折射定律”計算的更準確。不論在宏觀領域觀測或是在微觀領域觀察;不論是在光現象中或是理論計算，均可看出光和物質間的相互作用力是光折射的主要因素。

1905年，愛因斯坦提出光子假設，成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。

光照射到金屬上，引起物質的電性質發生變化。這類光變致電的現象被人們統稱為光電效應（Photoelectric effect）。光電效應分為光電子發射、光電導效應和阻擋層光電效應，又稱光生伏特效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。後兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。赫茲於1887年發現光電效應，愛因斯坦第一個成功的解釋了光電效應（金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子）。光波長小於某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決於金屬材料，而發射電子的能量取決於光的波長而與光強度無關，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。可事實是，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位（即光子或光量子）所組成。

光電效應裏電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直於金屬表面射出，與光照方向無關。光是電磁波，但是光是高頻震盪的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響。

光電效應

光電效應説明了光具有粒子性。相對應的，光具有波動性最典型的例子就是光的干涉和衍射。

只要光的頻率超過某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會逸出光電子，發生光電效應。當在金屬外面加一個閉合電路，加上正向電源，這些逸出的光電子全部到達陽極便形成所謂的光電流。在入射光一定時，增大光電管兩極的正向電壓，提高光電子的動能，光電流會隨之增大。但光電流不會無限增大，要受到光電子數量的約束，有一個最大值，這個值就是飽和電流。所以，當入射光強度增大時，根據光子假設，入射光的強度（即單位時間內通過單位垂直面積的光能）決定於單位時間裏通過單位垂直面積的光子數，單位時間裏通過金屬表面的光子數也就增多，於是，光子與金屬中的電子碰撞次數也增多，因而單位時間裏從金屬表面逸出的光電子也增多，飽和電流也隨之增大。 ^[1] 

反粒子最早是1928年P.A.M.狄拉克理論上預言正電子而提出的，1932年被C.D.安德森實驗發現而證實；1956年美國物理學家張伯倫在勞倫斯-伯克利國家實驗室發現了反質子，他用玻璃管中的被粒子加速器加速過的高能粒子對相撞，發現在突然間成對出現了幾道軌跡，又在短時間內相撞而互相泯滅，這是人們第一次直接觀測到反粒子。進一步的研究發現，狄拉克的空穴理論對玻色子不適用，因而不能解釋所有的粒子和反粒子。根據量子場論，粒子被看作是場的激發態，而反粒子就是這種激發態對應的複共軛激發態。

正反粒子是從場論的觀點來認識的，場的激發態表現為粒子，與之對應，場的複共軛激發態表現為反粒子。當γ光子的能量大於某種粒子靜能的兩倍，在一定的條件下就可以產生正反粒子對；反之，正反粒子相遇可湮滅併產生兩個光子或 3 個光子，遵從質量-能量守恆和動量守恆。

微粒説和波動説的完美結合愛因斯坦運用光量子説——全新意義上的微粒説，把光電效應解釋得一清二楚．但是，愛因斯坦並沒有拋棄波動説，而是把二者巧妙地結合在一起，並辨證地指出：“光——同時又是波，又是粒子，是連續的，又是不連續的．自然界喜歡矛盾……”，這一思想充分體現在他的光量子理論的兩個基本方程E=hν和p=（h/λ）中，把粒子和波緊密地聯繫在一起。

微粒説和波動説都缺乏足夠證據，所以最終人類對光的認識變成波粒二象性。真正理解微觀世界需要加入相對論、量子論、甚至目前最新的宇宙弦理論、膜理論，才有可能真正揭示出光的本質。對它的深入研究，甚至會進一步發現新的科學規律，發現宇宙的本質，造福人類。