光确实是辐射,确切的说是电磁辐射。那我们经常用的手机、收音机不也经常听说有电磁辐射么?怎么不见有光呢?不知道听说过物质波这个概念没有,让我们从这方面的先驱牛顿开始,作简要回顾。
牛顿很早就做过了三棱镜分光实验,可见光(当时牛顿的实验对象是自然可见光,也就是太阳光的可见部分,事实上也有其他波长的不可见部分,只是肉眼看不到,也就没有意识到罢了)通过三棱镜变成了五颜六色,形成了最原始的光谱图。所谓光谱图,简单地说,就是把不同频率的光在以波长为横轴的图上标示出来,就像一张菜谱的列表,只是不同的菜名被替换成了大小排列的频率。又基于当时对光反射与折射等几何性质的观察,于是牛顿提出光是一种微粒,小到肉眼无法分辨单个光微粒,而光线是一些大小不同并且迅速震动的光粒子组成。经典物理(相对于后发展起来的量子物理而言)对光的早期研究中,干涉与衍射现象是光作为波的最有力证据,并得到了当时绝大多数物理学家的认可,其中最重要的要数菲涅耳衍射和杨氏双缝干涉(一般的光学书中都会提及)。从牛顿的微粒说到后来的惠更斯波动说,关于光的本性的争论持续了不止一个世纪。经典物理不能接受光既作为波又作为粒子的说法。
经典电磁学发展到后期,由Maxwell总结的方程组(可参见Maxwell 方程组)统一了电磁场理论,并从数学上解释了光的几何特性,光的波动性从理论到实验都建立起了完整的体系。Maxwell指出电磁波和光有相同的速率,并预言光(当时还仅限于可见光的概念)就是电磁波。经典物理似乎到头了,很多十九世纪末二十世纪初的科学家都认为物理世界的探索已经基本完成,剩下的只是补充和细化工作。
但是历史迎来了相对论和量子力学。早在1888年赫兹就观察到紫外线照射到金属上时,会令金属发射出带电粒子,汤姆逊等人又证实这种带电粒子便是电子,是称光电效应。在普朗克提出了量化的概念之后,爱因斯坦成功解释了光电效应。 随着人们对化学元素的不断深入认识和对原子模型的探索,丹麦歌本哈根学派的代表人物Bohr波尔,向量子化的原子物理和光谱学迈出了开创性的一步---电子轨道量子化模型(“量子Quantum”这个术语可以简单理解为“不连续”,和宏观世界的各种连续的过程相对立)。物理学家认识到,原子中电子在轨道间跃迁,伴随电磁能量的变化,这种变化以不同波长频率的电磁波辐射或吸收的形式发生。
1923年至1924年,年轻的法国科学家德布罗意在题为“量子理论的研究 ”的博士论文中,提出物质粒子都具有波动和粒子两相性的假设。并指出,物质粒子的波长(波动范畴)和粒子动量(粒子范畴)成反比。这是第一次把光的粒子性和波动性联系起来,并且被证明是成功的。后来人们还发现电子群同样存在波动行为,从而电磁波的粒子性被证实了。
简单的说,光既可以表现为光子,也可以表现为电磁辐射。英文版的解释,可以参考Wikipedia(维基百科)和Encyclopedia Britannica Online(大英百科全书在线)。深入的理论,可以参考《原子物理》(杨家福 著)和一些近代光学的读物,更深入的理解就要参考量子力学、电动力学和量子电动力学。
参考资料:http://people.physics.tamu.edu/yyou/essays/phys/physhis.htm