【原】光是什么？

jmzl06ziebrlfk 2025-05-02

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吴义举

摘要：在论文《关于原子结构的认识》中已经介绍原子的结构是以原子核为中心相对于不同质量的电子形成不同的轨道围绕原子核的运动存在。本文将继续推理光是以原子核为框架结构形成的同一能级轨道电子相对于不同能级轨道电子的波形运动。文中通过光的菲涅尔衍射、泊松亮斑等实验证明光的波动性，解释光的波动性原理；同时指出单缝实验原理与菲涅尔衍射实验，本质相同；进一步指出双缝干涉、三缝干涉或四缝干涉等现象从本质而言与菲涅尔衍射或单缝实验原理相似，可以看作一定范围内波形运动的同一频率不同位置（或相位）的波段粒子相对于每一狭缝相同作用所受的作用力不同的积分出现在观察屏上的现象，即可以看作单缝实验的叠加或者“重复”。通过光电效应的实验等现象进一步解释光的粒子性，证明光的粒子性原理。

1 关于光的存在

在论文《关于四种基本作用力的认识》[1]中，可知粒子之间的相互作用力是因果性改变量的作用力（简称“改变量”），即因果性作用力或万有引力（相对于空间本质的本性[2]）（见图1）：

其中

=①

式中，、是两粒子和相互作用共同改变量对应的质量，r是两粒子和相互作用的距离，是两粒子和相互作用对应的空间系数（或场的存在）[3][4]。

图1 粒子和相互作用改变量对应的作用力

原子核的存在相对于不同能级轨道电子的因果性作用力（或改变量）[5]：设原子核的质量为，围绕原子核运动的电子质量分别为、、…、。已知，电子是以原子核为中心形成的改变量存在（或者可以理解为电子是原子核以自身为中心形成改变量范围内的原因存在），同时，也是以自身为中心的改变量存在，则电子与原子核之间的相互作用力：

式中：、、是原子核相对于电子、、相互作用共同改变量对应的质量，是原子核改变量对应的距离，、、是电子、、与原子核相互作用的距离，是原子核的空间密度。

从中可以看出，原子核是以质量M 为中心形成以为距离的改变量作用，不同质量的电子、、…、以、、…、为中心形成改变量围绕原子核在不同的轨道上运动。

可推知，光子是以原子核为框架结构形成的同一能级轨道电子相对于不同轨道电子运动的波形粒子，如图2所示。从图中知：在原子的结构中，原子核之间存在很强的因果性连接力[6] [即改变量的作用力（或万有引力）相对于空间系数（或场）的积分]，电子做功围绕原子核运动。原子核最外层电子距离原子核最远、质量最大，受原子核束缚的因果性作用力最小，且波长最长，需要一定的能量就可以使其克服原子核的束缚而形成以波形运动的光粒子；同理，在原子核的内层轨道同一能级上的电子，距离原子核较近、质量较小，受原子核束缚的作用力较大、波长较短，需要一定高的能量对能级电子做功，才能使电子克服原子核束缚的改变量的作用力而形成波形运动的光粒子；……；以此类推，形成光粒子的存在。

图2 原子核之间的关系相对于不同能级的电子结构

进一步分析可知，光子并非是现在物理学中认为原子核中不同能级上的电子跃迁辐射产生的虚光子，原因有如下三点：

（1）激发原子核产生光子的是不同能级的光电子相互作用，而使电子逃离原子核的束缚，产生光子。

（2）原子核中不同能级上的电子都是相互作用，且是稳定的因果性存在（空间本质的本性）[7]，即使原子核受到作用力的能量很高或受能级电子的作用力很大，也不存在能级跃迁问题。能级轨道上的电子，它只是原子核中能级上的因果性存在（要么存在于因果性的位置上，要么逃离原子核改变量作用力的束缚）。

（3）关于虚光子。从本文的观点看，虚光子本质上是指空间系数（或场的存在）。但是空间系数并非会产生虚光子，因为空间系数是属性空间中一定位置上的基本常量，它不会因为能级上的“电子跃迁辐射”形成“虚光子”，但它会形成改变量相互作用、相互联系的存在，如电磁波、引力波等。

综上所述，本研究认为：（1）光子的产生是原子核中同一能级轨道电子相对于不同能级轨道电子的相互作用（而且只能是）。（2）原子核中不同能级轨道上电子对应的是不同频率的光子，它是以原子核为框架结构形成的波形粒子，红光在原子核的最外层，波长最长、能量最低，相应的在内层轨道上的电子波长逐渐减短、频率逐渐增大，具有的能量逐渐增高。

可以推出每一能级的光子在原子核中（或克服原子核的束缚）所具有的能量量度：

在自然光中，光是由不同能级的光电子组成——光的结构。

式中，、和是原子核中不同能级轨道电子的质量，、和是原子核中不同能级轨道电子相对于原子核的框架结构形成的不同能级光电子运动的频率。

此公式表示：在原子的结构中，射出每一能级的光在原子核中（或者克服原子核的束缚）所具有的能量量度（并非是指原子核每一能级所具有的能量）。

可知，光具有波粒二象性的本质是：在原子的结构中，光子是以原子核为框架结构形成的同一能级轨道电子相对于不同能级轨道电子运动的波形粒子（注意：对于独立的或者不是以原子核为框架结构而出的粒子，则不具备波粒二象性的性质，这应该就是宏观世界与微观世界不同现象的原因）。

2 关于光波形运动的粒子证明

如果光是波形运动的粒子，则其应该具有波动性，以及粒子性。关于光的波动性证明主要是对光的衍射实验与干涉实验等现象的研究，而光的粒子性证明主要是对光电效应等实验的研究。可以从以下方面进行证明。

2.1 光的波动性

首先，分析原子核中射出的光子在空间中的分布情况。从图2中可知，原子核中不同能级的电子从任何方向看都是以原子核为框架结构形成的波形粒子。由此可见，在某一能级某一方向上运动的波形粒子的情况（见图3），其中存在水平方向的波形粒子、垂直方向的波形粒子、……任何方向的波形粒子。

图3 水平方向、垂直方向、某一方向的波形粒子

其次，为了简便、准确，把波形上的粒子称为波段粒子。可知，波形上的波段粒子都是以自身为中心形成改变量的作用，其中改变量的大小是粒子自身的存在，从论文《关于四种基本作用力的认识》[8]可推知：

式中，为粒子存在的质量，为粒子包含实在的量，是粒子改变量对应的空间距离，为粒子具有的空间密度（即含有实在的量）。

粒子之间的相互作用力：

相关参数的意义同上。

注意，此式表示同一能级上相同质量的波段粒子之间的作用力，对于不同能级不同质量的波段粒子之间的作用力不再赘述，它们之间相互作用、相互联系在空间中传播。可知，同一能级上波形运动的波段粒子，质量相同、波长相同、相位稳定，波段粒子在波段上不同的位置受力不同、运动方向不同。

关于光的衍射现象

光的衍射是指光在传播的过程中遇到障碍物或者小孔时，光将偏离直线传播而绕到障碍物后面的现象。

菲涅尔衍射：它是使光源照射在衍射孔上，会在衍射孔后面的不同距离（近场区）的观察屏上产生衍射现象。当把衍射孔移动一定的距离会在中心处出现明暗相间的、变化的同心圆衍射图样。

分析可知：如图4所示（平面简图），当光源的波段粒子照射在衍射孔时，会使不同位置的波段粒子出现在观察屏不同位置。可知，波段粒子透过衍射孔直射到观察屏上的粒子密度集中、能量较高，而外围的波段粒子稀疏、能量低。在一定的近场区密度集中、能量较高的波段粒子与衍射孔相互作用，总会在观察屏上看到中心处的亮纹，而外围的波段粒子与衍射孔相互作用产生改变量的作用力，使不同位置的波段粒子出现在观察屏上不同的位置，波段粒子的积分使同一频率不同波段粒子集合，形成（相对于衍射孔）明暗相间、互为同心圆的条纹。如果改变光源与衍射孔之间的距离，则会使不同位置的波段粒子与衍射孔相互作用，从而出现明暗相间的、变化的同心圆衍射图样。

图4 波段粒子与衍射孔的作用

分析可知：条纹中的亮纹是同一频率上的波段粒子的积分使同一位置（或相位）的粒子出现在观察屏上的现象，也可以理解为从整体上看，明暗相间的同心圆是波段粒子不同位置的积分。同上，也可明白波段粒子不同位置的积分也是波段粒子受衍射孔作用力的积分，也就是说可以把不同位置波段粒子的受力积分看作是不同作用力的积分，即

可知，在某一位置波段粒子的存在相距观察屏为L的投影：

式中，为某一波长的波段粒子质量。

进一步分析可知，同一能级的波段粒子质量相同，则粒子之间的距离是粒子以自身为中心相对于其性质形成的改变量存在，即由确定的改变量距离就可推理出粒子的质量，可知粒子的距离与质量之比是一个定值：

如果从频率波的观念理解，则公式为：

式中，为波段粒子的波长。

此式表示波段粒子的质量是相对于一定波段粒子的距离存在，即确定的波长。可以理解为一定性质（波）的常数。

于是：（1）从水平方向上看，波段上存在的某一位置波段粒子积分：

（2）从垂直方向上看，在波段粒子同一位置上的积分是由于一定区域（）的波段粒子在同一位置上出现的情况，即：

则知，出现在观察屏上的亮条纹是：

可以看出，在整体上明暗相间的同心圆可以看作是不同位置的波段粒子之间存在的距离在观察屏上的投影，因为不同位置的波段粒子受到的作用力不同，则出现在观察屏上的投影也不同。所以，暗条纹的存在可以看作是相互作用的粒子之间的距离在观察屏上的投影减去形成亮条纹的存在。可求出波段粒子相距为r在观察屏上出现的距离为：

可知，暗条纹的间距是：

式中，波段粒子之间的距离r可以看作是相互作用的改变量距离。

其中，单缝实验的原理与此相似，本质相同，不再赘述。

泊松亮斑：泊松亮斑指的是用单色光照射在小于或者等于光源波长的小圆板或圆球时，会在其之后的观察屏上出现明暗相间的、环状的同心圆的衍射图样，并且在同心圆的中心处会出现亮纹，这就是泊松亮斑。

分析：如图5所示，波段粒子射向小圆球时，使不同位置的波段粒子出现在观察屏不同的位置，而波段粒子的积分在观察屏上形成明暗相间的、环状的同心圆，中心处有亮纹存在。

图5 波段粒子与小圆球的作用

实验中为什么要用波长短于或等于小圆球（或圆球板）的波段粒子？如果用波长大于小圆球的波段粒子，则会使波形上不同位置的波段粒子因为对小圆球的作用力而出现叠加的现象，也就是说同一频率上不同波段粒子的积分相互作用的现象，形成不明显的明暗相间的条纹。如果用波长短于或等于小圆球的波段粒子时，则使波形上的波段粒子与小圆球相互作用，它们因为因果性作用力不同而出现在观察屏上不同的位置，不存在不同位置波段粒子相互作用叠加的现象，而使同一频率不同位置波段粒子的积分形成明暗相间的、清楚明晰的、互为同心圆的衍射现象。其中，在明暗相间的同心圆中心处由于波段粒子的积分相互作用出现亮斑，称为泊松亮斑。

分析可知：同上。条纹中的亮纹是波段上不同位置粒子的积分，而波段粒子的不同位置相对于小圆球所受的作用力不同，依然可以把不同位置波段粒子的积分看作是不同位置作用力的积分，即

可知，在某一位置波段粒子的存在相距观察屏为L的投影为

式中，是某一波长的波段粒子质量。

由此：同上。（1）从水平方向上看，波段上存在的某一位置波段粒子的积分是：

（2）从垂直方向上看，在波段粒子同一位置上的积分是由一定区域的波段粒子在同一位置上出现的情况，即：

所以，可知，出现在观察屏上的亮条纹是：

而暗条纹则是波段粒子相距为r所受的作用力出现在观察屏上的距离减去亮条纹的距离存在（波段粒子之间的距离从总体上可以看作是出现在观察屏上投影的条纹间距）。可求出波段粒子相距为r在观察屏上出现的距离为：

可知，暗条纹的间距是：

当暗条纹在中心处为零时，则，即：

解得：

此式表示中心处暗条纹的存在就是波段粒子的积分。

从以上对衍射现象的理解，可以间接证明光是波形运动的现象。

关于双缝干涉、三缝干涉或四缝干涉等现象从本质而言与菲涅尔衍射或单缝实验原理相似，可以看作一定范围内波形运动的同一频率不同位置（或相位）的波段粒子相对于每一狭缝相同作用所受的作用力不同的积分出现在观察屏上的现象，即可以看作单缝实验的叠加或者用不准确但易理解的词——“重复”（原因也很简单，衍射实验或干涉现象只能是小于或等于某一个波长的波段粒子相对于相应的衍射孔所受作用力不同的积分出现在观察屏上的现象）。至于这一观点的正确性也很好证明，比如双缝实验的两个孔大小不同或者相差距离明显，则同一频率同一波段位置（或相位）的粒子在两个孔所受作用力不同，波段粒子在两个孔的积分的叠加不明显，则出现在观察屏上的明暗条纹会变得模糊，进一步可推知，两个孔距离差距越大则明暗条纹越不明显，甚至干涉条纹消失。

注意：在干涉实验中控制激光产生电子的速度，让电子一个一个的到达观察屏，则在观察屏上依然会出现相应的干涉条纹现象。因为干涉条纹的粒子在激光器中是按照原子的结构以原子核为框架产生的波形粒子，它的存在与射入的电子量无关。

2.2 光的粒子性

从前可知，光是以原子核为框架结构形成的不同能级轨道电子的波形粒子，这说明光具有粒子性。关于光的粒子性物理学上主要证明方法是对光电效应实验进行的研究。

光电效应

光电效应的科学解释首先是爱因斯坦提出的。

当光照射到金属表面时，会有电子从中跑出来，把这一现象的发生叫作光电效应。这一现象在赫兹证明电磁波的存在时就已经发现。赫兹在电磁波接收器的铜球处看到跳跃的电火花，他注意到，当用光去照射铜球时，跳跃的电火花会加强。

物理学家通过不断的研究与总结，从经验中得出光电效应的规律：（1）光电效应几乎是瞬时产生的；（2）照射光子的频率必然要达到某一频率（极限频率）以上，才能发生光电效应；（3）照射光的频率越高，电子从金属中跑出来的（光）电子最大初动量越大；（4）照射光的强度越强，则产生的光电流也越大，达到最大值饱和电流[9]。

对于光电效应的上述现象，从麦克斯韦的电磁理论解释遇到了很多困难：（1）光电效应的瞬时性。用电磁理论解释金属中电子的移动是由于光波中的电场振动使原子核中的电子也要跟着振动，当电子的振动达到足够大时，则电子会逃离原子核的束缚而形成电流，但这需要时间，与光电效应的瞬时性相矛盾；（2）光电效应的极限频率。根据电磁理论，光的能量是由它的强度决定的，与频率无关，只要强度足够大，就会产生电子的移动，形成光电效应。但事实是在光强达不到某一频率时，光电效应的时间再长，也很难产生光电效应的现象。但当达到某一频率时，会瞬时产生光电效应；（3）饱和电流。根据电磁理论，当光照射金属表面时间越长，则跑出来的电子就会越多，形成的电流也越大，可为什么会出现饱和现象？

为了解决光电效应的现象，爱因斯坦认为光虽然是电磁波，但在发射和吸收时是一份一份的、不连续的，他称之为光量子，每一份光量子的能量是：

光子的能量是由频率决定的，当光子照射到金属上时，会把金属中的（光）电子打出来，光子越多产生的能量越大，从而形成光电效应现象。从理论可知，光子只有达到某一频率时才会发生光电效应，否则，频率达不到时，无论照射多长时间，也不会达到某一频率光子移动的能量，形成光电效应。

从此光量子的观点，可以很好解释光电效应的现象。但这只是一个假设性的观点，可以从中提出几个问题：（1）如果光是电磁波，那么，原子的结构是如何产生电磁波，且又具有量子性？（2）如果原子核不同能级的电子跃迁辐射的能量是光粒子，那么为什么跃迁辐射的光粒子具有的能量不存在于更高能级电子的轨道上？（3）从原子的结构上看，不同轨道上的电子跃迁辐射不同频率的光电子，则原子结构上的电子运动速度应该很高，如此，原子核中的电子处于一种高速运动状态，那么，原子很难存在稳定性的结构。

从本文的观点对光电效应进行解释。从前面对原子结构的理解，可推知，光子是由不同能级轨道上的电子产生的波形粒子，可以简单的认为光具有粒子性。

每一轨道能级上的单位频率光具有的能量是：

此公式表示，每一能级（轨道)上的电子具有的质量：，它在以原子核为框架的结构中以固定的频率：…，运动，则每一能级上的单位频率具有的能量是：，…，。

在光电效应中，当以频率为，能级为的最外层电子产生的光子能量射入金属表面时，会使金属中相应能级的电子相互作用，因为电子之间有改变量的作用力存在，使电子移动，形成电流。如果该电子的频率达不到金属中电子移动的频率，则金属中的电子受原子核改变量的作用力束缚而无法跑出来，不会形成电流，即使射入的电子量增加，时间加长，则此光子依然克服不了原子核在该轨道对电子束缚的作用力，该能级电子依然不会跑出原子核形成电流，这就解释了光电效应的极限频率。

当照射光的频率为，能量为的电子产生光子的能量射入到金属表面时，如果它的频率达到了原子核中电子的运动轨道，则它会立即克服原子核在该能级对电子束缚的作用力（因果性作用力或改变量），从而使电子移动形成电流，这就是对光电效应的瞬时性解释。当照射光的频率越高，则光的照射动量越大，它对金属中电子的做功动能越大，则电子更容易克服原子核的束缚而形成电流，从此就解释了照射光的频率越高，金属中跑出来的电子最大初动能越大。如果某一入射光的频率光子越强，则光子越多，产生移动的电子也越多，会形成更强的电流。但是所产生的电流都是原子结构中此能级轨道上的电子产生的，所以电流会达到一定的饱和程度。达到饱和程度的电流即使加强光子的量，但依然不会克服原子结构中更基层轨道上电子的移动，形成电流的极大值，这就解释了光电效应的饱和性。

从光电效应的瞬时性可以间接的判断：在原子的结构中，原子核与原子核、电子与电子之间都有确定的、相互作用的紧密联系，否则，它们之间不会产生瞬时性电流。