光的本質

光的本質 我是誰? 波? 粒子?

很久以前 …… 一名古希臘哲學家亞里士多德 (384 - 322 B.C.)認為 我們能看見萬物，原因是眼睛能發出一些「東西」，而那些東西能從物體上反射回來。 在柏拉圖的時代 (427 – 347 B.C.)人類已經知道平滑的表面能反射光線，他也是個希臘人。 古希臘人 (約 200 A.D.)也是首個觀察到光會在兩個折射率不同的透明介質的交界產生折射。

在17世紀，兩個科學家對光的本質持有不同的見解．．． 光是粒子 不對！光是波動 牛頓 1643 - 1727 惠更斯 1629 - 1695

17世紀時，人類已經知道了光的一些特性，例如： 光有不同的顏色 光可以穿越真空 光可以進行反射和折射，這些過程都由反射定律和折射定律來描述

反射定律 根據反射定律， 入射角 = 反射角 (θi = θr ) 入射光線 反射光線 法線 θi θr

折射定律 斯涅耳在1621年發現當波從折射律為 n1 ,的介質進入折射率為 n2的介質時， n1sin(θ1) = n2sin(θ2) 這個關係稱為斯涅耳定律。 入射光線 法線 θ1 n1 介面 n2 θ2 當光線從光密度較低的介質進入光密度較高的物質時會偏向法線。 折射光線

牛頓提出「光的粒子論」(又稱為「光微粒說」)來解釋光的特性。 (資料來源： “Opticks”, 由 Isaac Newton 於1704年發表) 我認為光是一串由微粒組成的射線…

粒子論 為甚麼光有不同顏色？ 為甚麼光能穿越真空？ 不同顏色的粒子有著不同的特質，例如質量、大小和速度。 由於光是粒子，所以能穿越真空。 （牛頓的時代還未有人發現有哪種波可以穿越真空。）

為甚麼光以直線前進？ 把球凌空拋擲，由於地心吸力的緣固，球會以曲線路徑活動。 但是隨著擲球的速度上升，其活動路徑的弧度會下降。 所以，當數以億計質量極小的細小光粒子以高速前進時，其路徑基本上成直線。

粒子論怎樣能解釋反射定律？ 鋼球從平滑表面反彈的情況與光線從鏡子表面反射的情況相似。 鋼球 反彈 光線 反射 光線內有大量光粒子 鏡子

牛頓的粒子論怎樣解釋折射定律？ 當炮彈抵達水面時，會受到與水面成直角的「折射力」影響，因而減慢速度，並偏離法線。光線的表現則剛好相反。要解釋這個觀察現象，牛頓假設光在水中的前進速度較快，所以會偏向法線。 （這個解釋有甚麼問題？） 問題： 光在水中的速度真的較快嗎？ 在牛頓和惠更斯的年代還沒有 人能測量光的速度 空氣 炮彈 光 http://www1.fis.uc.pt/museu/optiNG.htm: Newton thus described the nature of light as follows (the theory was closely linked to his mechanics): it comprises corpuscles of different masses emitted by a source; these are propagated in space at a tremendous velocity. When they reach the surface of a medium, these particles are acted upon by a refracting force, excited by them, which is perpendicular to the surface and proportional to the density of the affected body and acts at a short distance from it. This force, deflecting the trajectory of the corpuscles, causes reflection, refraction, dispersion and what Grimaldi called diffraction. 水

為甚麼紅光的折射程度最低，紫光的折射程度最高？ 為甚麼稜鏡能把一束白光分成彩虹？ 為甚麼紅光的折射程度最低，紫光的折射程度最高？ 紅 牛頓的假設： 不同顏色的光粒子都擁有質量。紅光粒子的質量較紫光粒子重。 2. 所有光粒子在越過介面時都會受到同樣的折射力。 所以受到相同的力影響時，與惰性較低的紫光粒子相比， 惰性較高的紅光粒子的折射程度較低。 紫

讓我們看看惠更斯怎樣利用他的「波動論」來解釋光的特性．．． (資料來源：Treatise on light, 由惠更斯於1690年發表) 我認為光是以一列波動的形式從介質中發射，這個介質稱為「aether」 (“aether” 也常稱為 “ether”)

波怎樣前進？ 一個由P開始、波前為W的波以各個方向往外移動。經過一段時間t後，波的半徑為r，如果t是波的速度，則r = ct。 波前上的每一點都會產生次子波。這些次子波互相干涉，在時間t’後產生新的波前W’。 P

波動論怎樣解釋折射定律？ 當波前 W1 (AC)到達A點時，從A開始的次子波會擴散。當原來的波前到達B時，從A開始的次子波會到達D，產生新的波前W2 (BD)。 入射角 = 反射角可以用幾何學來證明。參考工作紙的附錄或課本便可知道怎樣證明。 C D W1 W2 A B 按此看動畫

波動論怎樣解釋折射定律？ 波前W1 到達介質1 和 2的交界時，波前W1上的A點會開始擴散。當前進波前抵達B時，由A開始的次波會前進一段較短的距離到達D，並　且開始一個新的波前 W2，所以波會偏向法線。 θ1 n1sinθ1 = n2sinθ2 可以以幾何學證明。參考工作紙的附錄或課本便可知道怎樣證明。 C 空氣 W1 B A 光學密度較高的介質 W2 D θ2 按此看動畫

如果光擁有波的表現，則可以觀察到繞射和干涉。這兩種都是波的重要特色，在17世紀便已知。 (利用水波槽觀察水波便可見到這些特性。) 光的波動論能預測干涉和繞射。可是，惠更斯卻不能提出任何有力證據顯示光能進行干涉和繞射。 水波的繞射和干涉

「反射定律」和「折射定律」都是科學定律的例子。 「光的粒子論」和「光的波動論」都是科學理論的子。 甚麼是科學定律？ 甚麼是科學理論？ 兩者之間有甚麼分別？

科學定律是對大自然現象間的關係或規律的描述。 甚麼是科學定律？ 甚麼是科學理論？ 科學定律是對大自然現象間的關係或規律的描述。 例子：理想氣體定律PV = nRT 科學理論是對這些關係或規律的解釋。 The followings are definitions of a law and a theory. Laws are generalizations, principles or patterns in nature. (McComas, 1998) Laws are descriptive statements of relationships among observable phenomena. (Lederman et al., 2002) Theories are the explanations of those generalizations. (McComas, 1998) Scientific theories are well-established, highly substantiated, internally consistent systems of explanations. (Suppe, 1977, cited in Lederman et al., 2002) 例子：分子運動論

定律和理論 理想氣體定律描述理想氣體的P, V, 和T之間的關係。 分子運動論解釋這些關係（即理想氣體定律）。 分子運動模型

假設 理論 定律 從屬關係

科學理論和定律是不同類型的知識。 理論不會演化成定律，相反亦言。

如果你是活在17世紀的科學家，你會相信「光的粒子理論」還是「光的波動理論」？為甚麼？ 提示：哪個理論對解釋光特性的能力較強？ 如果你是活在17世紀的科學家，你會相信「光的粒子理論」還是「光的波動理論」？為甚麼？ 提示：哪個理論對解釋光特性的能力較強？

牛頓是勝利者．．．( 當時的! ) 牛頓的光粒子理論在18世紀主宰了光學。 大部分科學家都認同牛頓的光粒子理論，因為這個理論有較強的解釋能力。 考慮這些理由……

波並不只以直線前進，但光只以直線前進，所以光不是波。 我們可以輕易聽到在障礙物後發出的聲音，但卻不能見到後面的物件。與聲音不同，光線不能展示繞射特性，所以不可能是波。

X (2) 與聲波不同的一點，是光能穿越真空。 粒子能穿越真空。 在17世紀，人們都相信波不能穿越真空。要當時的人相信波能穿越「ether」－一種由惠更斯提出，讓光能藉以前進的假想「介質」－並不容易。 X

(3) 光的粒子論能解釋為甚麼光有不同顏色。 惠更斯完全無法解釋為甚麼光有不同顏色。他不知道不同顏色的光線有著不同的「波長」。 雖然牛頓的解釋並不正確（不同色光的粒子各有不同的質量和大小），但是他的粒子論卻完滿解釋17世紀時所發現的各種現象。 ?

(4) 牛頓的聲譽 當缺乏足夠證據作出判斷時，人們都傾向信任「權威」。牛頓的粒子論能解釋折射作用，是因為錯誤地假設了光在密度較高的介質內速度較快。當時沒有人能證明這是錯的。 有關光在水中的速度的疑團，直至牛頓死後超過一世紀仍然未有人能解開。

總結：從惠更斯與牛頓對光本質的辯論， 我們知道 . . . 總結：從惠更斯與牛頓對光本質的辯論， 我們知道 . . . 科學定律是對大自然各種現象之間的關係或大自然的規律所作的描述。（例如反射定律、折射定律） 科學理論是對這些規律和現象所作的解釋。 （例如光的粒子論、 光的波動論） 好的理論應能解釋更多科學定律 。 （牛頓的光粒子論較惠更斯的光波動論有較強的解釋能力） 當缺乏足夠證據作出判斷時，人們都傾向信任權威。 （相信牛頓的理論是因為他在科學界德高望重）

可是，當牛頓的光粒子論獲接納後100年，科學界重新檢視這個理論．．． 光不是粒子！ 楊格 1773 - 1829

透過其著名的雙縫實驗，楊格成功地顯示光的干涉作用（這點是惠更斯無法做到的）。 楊氏雙縫實驗 透過其著名的雙縫實驗，楊格成功地顯示光的干涉作用（這點是惠更斯無法做到的）。 從此光的波動論便確切建立。 設單縫的熒幕 陽光 繞射同源圓形波前 設雙縫的熒幕 同步的波 不同步的波 探測熒幕 暗條子 亮條子 干涉條子

光的波動論一直受廣泛接納，直至1905年．．． 光的波動論？ 「不可能！」 愛因斯坦 1879 - 1955

當光照射金屬時，光電效應產生，同時發射電子 利用光子（光由細小粒子組成）的構思，愛因斯坦解釋了顯示光電效應的結果。 入射光子 電子從表面發放 在真空環境中，光照射到清潔的鈉金屬表面 出射電子 鈉金屬 當光照射金屬時，光電效應產生，同時發射電子 利用光子（光由細小粒子組成）的構思，愛因斯坦解釋了顯示光電效應的結果。

研究光電效應的裝置中（如下所示），要量度光的強度、光的頻率、所產生的電壓和電流的大小。 愛因斯坦的光電效應實驗提供了甚麼證據支持光粒子理論？ Teaching notes: According to the wave theory, the strength / intensity of light is in proportion to its brightness: a bright light should have been plenty strong enough to create a large current. e- Light 光

光電效應實驗的結果 對某些金屬而言，弱藍光能產生電流，而強紅光卻完全不能發電。 如光的頻率比臨閾頻率低，便沒有電流產生。 為甚麼光波動論不能 解釋實驗結果？ n0 電壓 光頻率 f fC

愛因斯坦的解釋 入射的光子使電子脫離金屬表面，每個光子都帶有固定的能量E，E的大小與光的頻率(n) 有著以下關係： E = h n h 是普朗克常數 (6.62 x 10-34 焦耳秒) 只有擁有足夠能量（高於某個臨閾值）的光子才能令電子脫離金屬，例如藍光。紅光便沒有足夠能量令電子脫離金屬。

愛因斯坦為光粒子本質提供了強而有力的據．．． 但這是不是定局呢？ 光究竟是粒子還是波？ 愛因斯坦為光粒子本質提供了強而有力的據．．． 但這是不是定局呢？ 光究竟是粒子還是波？ 光既不是粒子、也不是波，而是兩者的混合體！ 德布羅意 1892 - 1987

1924年，德布羅意提出粒子同時有著波的本質，三年後的實驗結果證明了這點。 當時大部份科學家都不明白德布羅意這份博士論文的意思。其中一個學生把論文交給愛因斯坦解讀，愛因斯坦的回覆是德布羅意不但可取得博士銜，更應取得諾貝爾奬！ 結果他在1929年獲頒諾貝爾奬！

總結 亞里士多德（光由眼睛發出） 惠更斯（光的波動論） 牛頓（光的粒子論） 楊格（光的波動論） 愛因斯坦（光的粒子論） 德布羅意（所有物體的波粒二象性）

總結: 從探索光本質的發展史中，我們學習到甚麼？ 證據 （例如楊氏雙縫實驗、光電效應實驗結果．．．等）能建立或否定一套理論。 建立或發展科學知識 ( 光的本質）需要努力不懈，亦往往建基於他人及前人努力的成果。（跨時空的合作） 科學知識不斷變更，有時甚至具革命性（愛因斯坦發現光的粒子本質，德布羅意發現所有物體的波粒二象性）。