第十一章  光的海洋－－光以太

　　我们的世界充满着光。光的波动和粒子两方面的相互并存的性质，称为光的波粒二象性。

　　“曾有人设想波是基本的，粒子只是许多波组合起来的波包，波包的速度也就是粒子的速度，波包的活动表现出粒子的性质。但这样一幅图画被实验否定了，波包是不同频率的波组成的，不同频率的波在媒体中的速度不同，这样一个波包在媒质中会逐渐扩展而消灭，又波在二媒质的界面上可分为反射和折射两部分，而一粒电子是不可分的。

　　另一个设想是，粒子是基本的，波只是大量粒子分布密度的变化，但从下述实验看到，这想法也不完全恰当，光通过双缝可以发生干涉现象。电子也可以产生相仿的现象，显出它的波动性。如果把电子束的强度减弱，而相片受照射的时间足够长的话，仍然会出现干涉条纹，如果电子是粒子，通过窄缝1的电子，就不会通过窄缝2，如果电子束很弱，有电子窄缝1那时刻，也许没有电子通过窄缝2。可是相片受长时间的照射仍会有干涉现象。足见波动现象不是和很多粒子同时存在相联系的，似乎波动性是各个粒子具有的性质。”

　　上述两种说法都是片面的，片面的根源在于把光子和光波混为一谈了，我们必须把二者区别开来。但由于光子的运动速度为C，而光波的传播速度也是C，所以大量实验证明光既具有波的性质又具有粒子的性质，光只能既是粒子又是波，是粒子和波的综合。

　　光是粒子就具有质量，光是波就要有介质。光子的质量、电量和能量，光子的德布罗意波长，我们在§3.2中已经讨论过了，现在我们来讨论光波的介质，光波的形成和传播。

§11.1　光波的介质

　　为了产生波动，就必须有介质，海波的介质是海水，声波的介质是空气，地震波的介质是构成地壳的土砂岩石等。在真空中是没有声音的。

　　光波的介质是什么呢？我们的世界就处在光子的海洋之中，光波的介质就是光子本身，正如水波的介质是水本身一样。光子的质量为：7.372641×10^－51 千克，仅是电子质量的0.80933×10^－20 倍。光子如此之小，无处不有，无孔不入，整个宇宙都沉浸在光子的海洋之中，光子的海洋就是光以太。

§11.2　光波的形成和传播

　　一、螺旋波

　　原子中电子绕核运动是互相垂直的谐振动的合成。这两个谐振动，频率相等，振幅相同，周相差为±π/2，周相差为＋π/2时为右旋轨道运动，周相差为－π/2时则为左旋轨道运动。

　　假设电子绕核的旋向已定，在Y轴上的谐振动为余弦波的话，在X轴上的谐振动则为正弦波。　

　　余弦波在Y－Z面内，如图11－1。正弦波在X－Z面内，如图11－2。波的传播方向是Z轴方向。

　　电子绕核运动是这两个方向谐振动的合成，合成的结果是螺旋波，如图11－3所示。

　　于是我们得出结论：直线谐振动的传播是正弦波（或余弦波），回转运动的传播是正弦波和余弦波的合成－－螺旋波。

　　电子轨道运动除自身的德布罗意波之外，还同时激起光子的德布罗意波。其波长、频率、波速和光子的运动速度我们在§3.2中都作了讨论。

　　因为一个光子的德布罗意波长，波速以及光子的运动速度都是C，而光子的德布罗意波的频率等于1，因而电子每绕核一圈就激起一个周期光子的德布罗意波。但是电子轨道运动的频率ν _e 由式（3.49)确定，而电子每绕核一圈的轨道发射能力由式（3.44）确定，光子辐射频率与这两方面都有关，所以光子的辐射频率由式（3.55)给出。这样每秒钟就有ν个光子的德布罗意波向外传播。

　　电子绕核运动是两个互相垂直的谐振动复合成的回转运动，就每个分振动而言，或者是正弦波，或者是余弦波，合成的结果是螺旋波。

　　图11－4是由ν个光子的德布罗意波组合成的正弦（或余弦）光子流。就一个光子来说，其德布罗意波长是C，运动速度是C，波速也是C，而频率是1，周期是1。就辐射频率为ν的，ν个光子组成的复合正弦（或余弦）光子流来说，其波长、频率就构成辐射波的波长和频率。

　　正弦光子流和余弦光子流又组合成为螺旋光子流。如图11－5所示。

　　由图11－5，我们看出电子轨道运动所激起的螺旋光子流是由ν个光子的德布罗意波构成的，在相隔一个德布罗意波长C的地方，形成一列一列的ν个光子流，因而原子发光应具有间歇性。

　　二、辐射波－－纵向光子流

　　上述讨论的是电子轨道运动两个相互垂直的谐振动组合成的螺旋波。现在我们来讨论电子轨道内的同心圆辐射波。

　　由图11－3，我们看出电子轨道运动激起的螺旋波，在垂直于轨道平面的空间向左、右传播。而在电子轨道平面内的空间，所激起的光子流应以同圆的形式向外传播。

在§3.2中，我们已经得出结论：在第一轨道上电子每绕核一圈具有发射一个光子（h）的能力；在第二轨道上电子每绕核一圈具有发射两个光子（2h)的能力；在第n轨道上电子

每绕核一圈具有发射n个光子（nh）的能力。但这并不是说，n越大辐射能越大。因为辐射能力还由电子轨道运动频率决定，而n越大，电子轨道运动的频率越低，即每秒绕核运动的圈数与n ³ 成反比。所以总的辐射能力，越往外层越小（参见§3.2、八；及第四章）。就电子在第一轨道运动而言，因为辐射能大，每秒发射的光子数是很多的，如图11－6所示，它在轨道运动平面内，以同心圆的方式向外传播。其频率由式（3.55)给出，频率越高，每秒发射的光子数越多。或者说，辐射频率越高，每秒钟激起的光子德布罗意波条数越多。辐射频率等于1时，每秒只能激起一次光子的德布罗意波。

　　辐射频率（3.55）式不同于电子轨道运动频率式（3.49）。辐射频率是由电子轨道运动频率和电子每绕核一圈的发射能力共同决定的。

　　以辐射的方式激起了光子的德布罗意波，它就是纵向光子流。

　　综上所述，我们可以得出结论：原子发光是电子轨道运动激起的光子海洋里的横波（螺旋光子流）和纵波（纵向光子流）的组合。就纵波而言，因为光子具有电荷和磁矩，所以纵向光子流所造成的电埸和磁埸的运动，还是垂直于光子流方向的，它也可视为横波。

　　单个光子的运动，具有德布罗意波，每秒ν个光子的运动，组合成光波。这就形成了光的波粒二象性。

　　由于光子具有电荷和磁矩，所以光子以速度C运动时，电埸和磁埸也以速度C传播。