1.光子在靜止時質量為零,但不存在靜止的光子,因為靜止就沒光了.光在傳播過程中光子的質量m=hv/c^2,根據(jù)E=mc^2和E=hv(h為普朗克常量,v為光子頻率）得到.
波粒二象性
波粒二象性是指一切物質同時具備波的特質及粒子的特質.波粒二象性是量子力學中的一個重要概念.
在經(jīng)典力學中,研究對象總是被明確區(qū)分為兩類：波和粒子.前者的典型例子是光,后者則組成了我們常說的“物質”.1905年,愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋,人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質.1924年,德布羅意提出“物質波”假說,認為和光一樣,一切物質都具有波粒二象性.根據(jù)這一假說,電子也會具有干涉和衍射等波動現(xiàn)象,這被后來的電子衍射試驗所證實.
“波”和“粒子”的數(shù)學關系
物質的粒子性由能量 E 和動量 p 刻劃,波的特征則由頻率 ν 和波長 λ 表達,這兩組物理量由普朗克常數(shù) h 所聯(lián)系.
歷史
在十九世紀末,日臻成熟的原子理論逐漸盛行,根據(jù)原子理論的看法,物質都是由微小的粒子——原子構成.比如原本被認為是一種流體的電,由湯普孫的陰極射線實驗證明是由被稱為電子的粒子所組成.因此,人們認為大多數(shù)的物質是由粒子所組成.而與此同時,波被認為是物質的另一種存在方式.波動理論已經(jīng)被相當深入地研究,包括干涉和衍射等現(xiàn)象.由于光在托馬斯·楊的雙縫干涉實驗中,以及夫瑯和費衍射中所展現(xiàn)的特性,明顯地說明它是一種波動.
不過在二十世紀來臨之時,這個觀點面臨了一些挑戰(zhàn).1905年由阿爾伯特·愛因斯坦研究的光電效應展示了光粒子性的一面.隨后,電子衍射被預言和證實了.這又展現(xiàn)了原來被認為是粒子的電子波動性的一面.
這個波與粒子的困擾終于在二十世紀初由量子力學的建立所解決,即所謂波粒二象性.他提供了一個理論框架,使得任何物質在一定的環(huán)境下都能夠表現(xiàn)出這兩種性質.量子力學認為自然界所有的粒子,如光子、電子或是原子,都能用一個微分方程,如薛定諤方程來描述.這個方程的解即為波函數(shù),它描述了粒子的狀態(tài).波函數(shù)具有疊加性,即,它們能夠像波一樣互相干涉和衍射.同時,波函數(shù)也被解釋為描述粒子出現(xiàn)在特定位置的幾率幅.這樣,粒子性和波動性就統(tǒng)一在同一個解釋中.
之所以在日常生活中觀察不到物體的波動性,是因為他們的質量太大,導致特征波長比可觀察的限度要小很多,因此可能發(fā)生波動性質的尺度在日常生活經(jīng)驗范圍之外.這也是為什么經(jīng)典力學能夠令人滿意地解釋“自然現(xiàn)象”.反之,對于基本粒子來說,它們的質量和尺度決定了它們的行為主要是由量子力學所描述的,因而與我們所習慣的圖景相差甚遠.
惠更斯和牛頓,早期光理論
最早的綜合光理論是由克里斯蒂安·惠更斯所發(fā)展的,他提出了一個光的波動理論,解釋了光波如何形成波前,直線傳播.該理論也能很好地解釋折射現(xiàn)象.但是,該理論在另一些方面遇見了困難.因而它很快就被艾薩克·牛頓的粒子理論所超越.牛頓認為光是由微小粒子所組成,這樣他能夠很自然地解釋反射現(xiàn)象.并且,他也能稍顯麻煩地解釋透鏡的折射現(xiàn)象,以及通過三棱鏡將陽光分解為彩虹.
由于牛頓無與倫比的學術地位,他的理論在一個多世紀內無人敢于挑戰(zhàn),而惠更斯的理論則漸漸為人淡忘.直到十九世紀初衍射現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn),光的波動理論才重新得到承認.而光的波動性與粒子性的爭論從未平息.
費涅爾、麥克斯韋和楊
十九世紀早期由托馬斯·楊和奧古斯丁-讓·費涅爾所演示的雙縫干涉實驗為惠更斯的理論提供了實驗依據(jù)：這些實驗顯示,當光穿過網(wǎng)格時,可以觀察到一個干涉樣式,與水波的干涉行為十分相似.并且,通過這些樣式可以計算出光的波長.詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在世紀末葉給出了一組方程,揭示了電磁波的性質.而方程得到的結果,電磁波的傳播速度就是光速,這使得光作為電磁波的解釋被人廣泛接受,而惠更斯的理論也得到了重新認可.
愛因斯坦和光子
1905年,愛因斯坦對光電效應提出了一個理論,解決了之前光的波動理論所無法解釋的這個實驗現(xiàn)象.他引入了光子,一個攜帶光能的量子的概念.
在光電效應中,人們觀察到將一束光線照射在某些金屬上會在電路中產(chǎn)生一定的電流.可以推斷是光將金屬中的電子打出,使得它們流動.然而,人們同時觀察到,對于某些材料,即使一束微弱的藍光也能產(chǎn)生電流,但是無論多么強的紅光都無法在其中引出電流.根據(jù)波動理論,光強對應于它所攜帶的能量,因而強光一定能提供更強的能量將電子擊出.然而事實與預期的恰巧相反.
愛因斯坦將其解釋為量子化效應：電子被光子擊出金屬,每一個光子都帶有一部分能量E,這份能量對應于光的頻率ν：E=hν
這里h是普朗克常數(shù)（6.626 x 10-34 J s）.光束的顏色決定于光子的頻率,而光強則決定于光子的數(shù)量.由于量子化效應,每個電子只能整份地接受光子的能量,因此,只有高頻率的光子（藍光,而非紅光）才有能力將電子擊出.
愛因斯坦因為他的光電效應理論獲得了1921年諾貝爾物理學獎.
德布羅意1924年,路易-維克多·德·布羅意構造了德布羅意假設,聲稱所有的物質都有類波的屬性.他將這個波長λ和動量p聯(lián)系為：λ=h/p
這是對愛因斯坦等式的一般化,因為光子的動量為p = E / c（c為真空中的光速）,而λ = c / ν.
德布羅意的方程三年后通過兩個獨立的電子散射實驗被證實于電子（具有靜止質量）身上.在阿伯丁大學,George Paget Thomson將一束電子穿過薄金屬片,并且觀察到了預期中的干涉樣式.在貝爾實驗室Clinton Joseph Davisson和Lester Halbert Germer將他們的實驗電子束穿過一個晶體.
德布羅意于1929年因為這個假設獲得了諾貝爾物理學獎.Thomson和Davisson因為他們的實驗工作共享了1937年諾貝爾物理學獎.