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延迟选择实验揭秘之二光子与物质的作用规律

(一)劳埃德镜实验。劳埃德镜实验是让一条狭缝发出的光以掠入射角(近90度的入射角)入射到反射镜上,经反射,光的波阵面改变方向,反射光就像是光源的虚像发出的一样,两者形成一对相干光源,它们发出的光在屏上相遇,产生明暗相间的干涉条纹。

劳埃德镜实验证明了可见光经过反射后能够形成明暗相间的干涉条纹,可见光在镜面反射的过程实际上是光子与原子的碰撞过程,表明光子与原子碰撞后与原子交换的能量是不连续的(如果光子与原子交换的能量是连续的则屏幕上就应当形成连续的亮区)。根据我们的推论:当用同一频率的光源(比如激光光源)做劳埃德镜实验时,到达不同亮条纹位置的光子能量是不同的,到达屏幕顶部亮条纹处的光子能量小于到达屏幕底部亮条纹处的光子能量,条纹越靠上时光子能量越小、条纹越靠下时光子能量越小,就像光子经过单缝或者双缝后到达不同位置的光子能量不同一样。看到这里,很多人可能不相信光子经过反射后会损失能量,他们的证明方式很简单也很粗暴:难道一束蓝光经过镜面反射后会变成绿光或者黄光?光经过镜面反射后会改变颜色(改变频率)似乎不可能。实际上这正是微粒说与波动说分歧最大的地方:波动说认为光经过单缝或者双缝或者反射后频率不变、能量不变,而微粒说则认为绝大部分光子经过单缝或者双缝或者反射后会改变频率。有没有直接的实验证明呢?可见光经过镜面反射后由于频率改变量极其微小,我们一般不会注意到这种现象。

(二)康普顿效应。1923年康普顿在研究X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)散射时发现,散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外,还有波长较长的成分,其波长的改变量与散射角有关,而与入射光波长和散射物质都无关,这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。康普顿发现:散射光中除了和原波长相同的谱线外还有波长大于原波长的谱线;波长的改变量随散射角的增大而增加;对于不同元素的散射物质,在同一散射角下,波长的改变量相同,散射光强度随散射物原子序数的增加而减小。康普顿散射只有在入射光的波长与电子的康普顿波长相近时散射才显著,这就是选用X射线观察康普顿效应的原因,而当入射光是可见光或紫外光康普顿效应并不明显。

上图是康普顿效应草图,由于X射线光子的能量比可见光光子能量大得多,所以X射线光子在与物质作用后能量改变量也比可见光的能量改变量大得多,这个改变量也较容易被我们观测到,并且在实验中我们的确观测到了X射线光子能量的改变(波长变长)。既然X射线被散射后能量(频率或者说波长)会发生变化,那么同样是光子的可见光被物质散射后会改变能量(频率或者说波长)在理论上就是一定的了。

在康普顿实验中,散射角增大时X射线波长也随着增大,说明散射角增大时X射线的能量损失也增大。实验中也发现,当入射光是可见光或紫外光康普顿效应并不明显,可见光的康普顿效应不明显并不是说可见光不会产生康普顿效应只不过不明显罢了。如果我们把散射体换成镜面,则可见光经过镜面反射后也会发生能量损失,也在一定程度上证明了可见光经过镜面反射后会改变频率(颜色),尽管这个改变非常微小,但在理论上光子经过镜面反射合一定会改变频率(颜色)。

在康普顿实验中,如果我们把检测系统换成一块屏幕,则X射线经过散射后会在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹,并且越靠近屏幕顶部X射线光子的能量就越小(波长越长)、越靠近屏幕底部X射线光子的能量就越大。

(三)微观粒子间相互作用。微观粒子如光子(电子、原子等)在外界连续作用力作用下到达了不连续的地方--有些地方微观粒子可以到达就呈现明条纹,有些地方微观粒子不能够到达就呈现暗条纹,反映出微观粒子间的相互作用有极其复杂的规律。一般来讲,微观粒子间的相互作用可以分为两种作用方式,第一种是微观粒子如光子(或者电子)和引力子的相互作用,从实验效果来看主要表现为光子(电子)通过双缝单缝后产生干涉或衍射现象,我们认为光子(电子)通过双缝单缝后产生干涉或衍射现象最根本的特征是光子(电子)通过双缝单缝后能量会增大。第二种是微观粒子间的相互作用,如光子被物质散射等,最根本的特征是光子(电子)被物质散射后通常会损失能量,当然极少数情况下光子被物质散射后会增大能量。微观粒子间的相互作用还包括光子和电子间的相互作用、光子通过镜面反射、通过棱镜折射等,由于光子和电子都有特定的内部结构,光子与电子间、自由电子与束缚电子间的相互作用则要复杂得多,常见的康普顿效应、拉曼效应、光电效应、牛顿环、薄膜干涉、劈尖干涉、延迟选择实验实际上是光子与原子中的电子发生碰撞作用的结果,碰撞后光子损失或者获得特定的能量从而到达特定的位置。认识到了光子经过镜面反射后会损失特定能量形成干涉条纹,那么延迟选择实验就不需要任何解释了。

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