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光（電磁波） 泰山高中╱盧政良老師整理 粒子還是波？介質的在空間中的相對運動，隨空間不同而有時間上的延遲便是波動。例如：一排啦啦隊，由第一個開始陸續上下擺動手臂，鄰近的人也跟著擺動但在時間上稍有延遲，依此類推便形成好看的波形。早期人們所認識的波動，不論是聲波或水波，都有介質作為傳播的媒介。聲波可以經由空氣、液體或固體傳播，但無法穿越真空，所以地球上所聽到的聲音都源自地球本身，於是很自然的認為波動都需要介質傳播。 要不然沒有『東西』擺動的『波』不是很奇怪嗎？可是太陽的光線卻可以穿過太空中的真空區域而傳達到地球上。此時可以採取的一種作法是接受光是一種波動，但是這種波動並不需要介質傳遞，也就是需要修改原有的波動學說。雖然虎克比較相信光的波動說，但是牛頓選擇了另一種方式，認為光是一顆顆的粒子，從光源（如太陽處）快速的飛向地球。當光粒子進入眼中時便刺激眼球形成視覺。光束便是一連串行進中的粒子。由於牛頓在力學等其他方面的卓越貢獻，使得『粒子說』興盛近一世紀之久，可見科學家也有雙眼朦朧之時。直到1803年楊氏(Thomas Young)的干涉實驗推翻了『粒子說』崇高的地位。光的干涉現象是波動說的最有利證據。但是光如果是『波動』，那麼在太陽與地球間真空的區域內，是什麼『東西』在振動使得光波能傳達到地面呢？於是『科學家』創造了一個新的『怪物』—以太。它無所不在，在真空中『以太』的運動使的光得以前進。可是卻不會影響星球或你我的運動，它幾乎不和物質作用，否則地球或其他星球在龐大的『以太海』中運動，豈不是會逐漸慢下來。可是『以太』抵達眼睛時卻又能刺激眼球產生影像。當時認為以太只是尚未被偵測到而已。這樣的想法又持續了將近百年。直到1887年Albert A. Michelson和Edward W. Moley構想出測出以太和地球相對速度的實驗，可是以當時精密的測量技術卻怎麼量就是量不出來。最後只好承認實驗的失敗。科學家終於覺醒了，推翻了當初所『構想』出來的怪物，原本失敗的實驗卻是承認以太實際上並不存在的證明。於是科學家也只好接受『光』是一種特殊的『波』，一種不需要介質便能傳播的『波』，至少這樣的想法比起『以太』的模式簡單的多。（這樣算不算是一種鋸箭法呢？）現在我們說『光』的行為像是一種『波動』，為什麼不直接說光是波呢？因為後來又有『光電效應』等實驗，不得不以粒子（光子）的觀點來解釋，愛因司坦便是因為對『光電效應』的解釋而獲得1922年的諾貝爾物理獎的（可不是因什麼相對論的貢獻）。光電效應電子在金屬內部可以很自由的游動，但是卻無法自由的跑出金屬外部，猶如被限制在圍牆內的自由彈跳的球，由於能量不夠大跳不過高高的圍牆。但是若拿個物品狠狠『K』它一下，便有機會讓電子（球）跳出金屬（圍牆）外。於是有人想用光去照射金屬表面，觀看金屬內電子被照射後的行為。在高頻的光線照射下電子比較容易被擊出金屬表面，可是當光的頻率低於某特定值時，卻是怎麼照，照多久電子卻都是跑不出來，可是只要是頻率夠高，即使很微弱的光照射也會有電子跑出來。（不同金屬有不同的臨界頻率，對應於使電子逃脫金屬表面的最低能量）而且當光照射到金屬表面時，便有電子馬上跳出來，不需時間的延遲。而且以頻率越高的光照射，跳出來電子的動能也越大，且動能和頻率間呈現線性關係。光若是波動，不管高頻與低頻都攜帶能量，雖然低頻的能量較低。但是照射時間越長應該可以提供的能量就越多，為何低頻的光照時完全跳不出電子呢？且微弱的高頻光為何一照射電子便即刻跳出來呢？不需要慢慢累積能量？當以波動的觀點，詳細計算後，必須照射光數分鐘電子才可能獲得足夠能量的情形，實驗結果卻是光線一照射便有電子發射出來。 以光的波動說 跳出電子的動能應該和光強度有關，但實驗結果只是和光的頻率相關，和光強度有關的是光電子的數目。最後只好假想是『光子』，每一個光子所攜帶的能量和其頻率成正比。比例常數為普朗克常數6.6252×10－34 焦耳-秒，當光子照射到金屬表面時，高頻的光子具有較高的能量，當光子和電子作用時，光子將能量完全轉移給電子，而使得電子獲得足夠能量，馬上可以掙脫金屬。可是低頻的光子能量不足以使得電子逃脫金屬表面，即使照射大量低頻的強光也沒有用，只要頻率夠高，光子的能量夠大即使很微弱的高頻光子， 也能即刻將電子轟出金屬表面，扣掉電子掙脫表面所失去的能量便是電子剩下的動能。因此電子的動能和光子的頻率相關，但和光強度（光子數）無關。光子數越多更多照射出光電子。但是『光子』的頻率又是什麼意思呢？光子看似『粒子』，可是『頻率』是『波』的屬性。到底光是粒子還是波呢？似乎越弄越迷糊！干涉現象必須以波動說解釋，光電效應有非得粒子說的詮釋不可。我們最後只好說，光有雙重性格，有時候呈現波動性，有時候呈現粒子性，還好同一實驗中不會同時呈