光子和微观粒子的两种作用形式
本章核心观点：光子与微观粒子的作用有两种不同的类型：光子与大质量微粒（电子）作用时能量大的光子偏折角度较大能量小的光子偏折角度小，光子与小质量微粒（引力子）作用时能量小的光子偏折角度较大能量大的光子偏折角度小。
第一节 光子和微观粒子作用的两种不同作用形式
在用光的粒子性解释干涉衍射和反射折射现象时，有两种截然相反的作用结果曾让我们一度感到非常困惑：在光的干涉衍射现象中，光子能量越大偏转量越小形成的条纹宽度越窄，比如红光的偏转量大于紫光的偏转量，红光干涉条纹宽度大于紫光的条纹宽度；而在光的折射现象中，光子能量越大则偏折角度也越大，如通过凸透镜或者三棱镜后，紫光的偏折角度大于红光的偏折角度。
上图是不同颜色的光通过同一双缝后形成的干涉条纹图案，从图上可以看出，红光（能量较小的光子）通过同一双缝后形成的条纹较宽、紫光（能量较大的光子）通过同一双缝后形成的条纹较窄。波动理论认为这是由于红光的波长大于紫光的波长造成的，而微粒模型则认为是能量（质量）不同的光子在相同的引力作用下偏转程度不同造成的：质量大的光子在相同引力作用下其偏转程度小而质量小的光子在相同引力作用下其偏转程度大。
上图是白光通过三棱镜后的折射图案，从图中可以看出，紫光（能量较大的光子）的偏折角度最大而红光（能量较小的光子）的偏折角度最小。
从粒子性的观点来分析，同样是光子，有的时候能量大的光子偏折角度大，有的时候能量小的光子偏折角度大，两者是相互矛盾的，所以很多人不认可光是粒子性这一观点。那么真实情况到底是怎样的呢？
我们认为，光子与微观粒子的作用主要有两种类型，一种是光子与大质量（比光子质量大）微观粒子的作用，另一种是光子与小质量（比光子质量小）微观粒子的作用，这两种作用结果是完全相反的。至于光子与光子之间相互作用会产生怎样的作用效果并不是我们本章分析的主要内容，这里略去。
第二节 光子与大质量微粒作用形式
（一）光子与大质量微观粒子的作用。我们知道，比光子质量大的微观粒子有原子核和电子。通常情况下原子核比电子要大好几个数量级，并且原子核内部结合力远远大于电子内部结合力（其差异可以参考核裂变和化学变化放出能量的差异），原子核内部结构发生变化时（比如原子核发生裂变或者聚变时）放出的能量是巨大的，我们把原子核内部结构变化时放出的能量叫核能；而电子内部结构发生变化时（比如电子吸收光子增大质量或者电子'裂变'放出光子）放出的能量较小，一般地我们把电子内部结构发生变化时放出的能量叫化学能。
我们知道，原子核并不是一个匀质硬性小球而是有一定内部结构的，它是由质子和中子组成的，质量数为2、8、20、28、50、82、114、126、184等数量的原子核比较稳定，我们把这些数称为'幻数'，而具有双幻数的原子核则特别稳定。原子核质量'幻数'的存在，反映出原子核内部各部分之间存在着复杂的作用力。
当一个重原子核遇到一个中子时，原子核吸收中子后会变得不稳定从而发生'裂变'生成两个质量较轻的原子核和一个或多个中子，同时释放出巨大的能量。目前我们还没有发现可见光光子或者低能量的光子能够使原子核发生'裂变'，这说明可见光光子的能量太低还不足以引起原子核'裂变'。通常情况下，我们认为原子核不能够吸收光子，光子也不能够使原子核发生'裂变'。
光子与电子之间的相互作用。我们认为：电子的本质属性是粒子性；电子具有特定的内部结构，电子的质量并非一成不变的，既可以吸收光子也可以放出光子：电子离原子核越近质量越小、内部各部分结合的越紧密、吸收光子的能力越强；电子离核越远质量越大、内部各部分结合的就越松散、吸收光子的能力就越弱。电子有若干个内部结合力极大的质量（'质量幻数'）、处于'质量幻数'的电子结合光子的能力是很强的，每一个'质量幻数'往往对应于电子在原子中的一条稳定轨道。电子存在'临界质量'，大于'临界质量'的电子通常都是极不稳定的、将在极短时间内'裂变'放出光子重新形成能够稳定存在的电子。
一般来说电子质量越小内部结合力越大，我们称其'饥饿程度'越高，其结合（吸收）光子的能力越强；电子质量越大内部结合力越小，我们称其'饥饿程度'越低，其结合（吸收）光子的能力就越弱。这一点很好理解，电子质量越小则其体积越小，各部分之间结合的就越紧密、对光子的结合能力就越强；电子质量越大则其体积越大，各部分之间的距离也相应增大从而导致电子结合的越松散、对光子的结合能力就越弱。电子和宏观物质微粒最本质的区别就是电子可以通过吸收或者放出光子改变质量，并且这一过程是可逆的、可以无限次重复的，电子能够改变质量是原子系统能够稳定存在的重要原因之一。
如果用横坐标表示电子的质量，纵坐标表示电子内部结合力，则我们可以画出电子质量--结合力草图。从图中可以看出，电子的质量并非一成不变的：电子质量越小其体积也越小、内部各部分结合的就越紧密、结合光子的能力越强，在外力作用下越不容易发生裂变；电子质量越大则其体积也越大、内部各部分结合的就越松散、结合光子的能力越弱，在外力扰动作用下越容易发生裂变并放出光子。同时我们发现，有极少数处于'质量幻数'的电子内部结合力是很大的、结合光子的能力也是很强的，处于'质量幻数'的电子通常都会对应于原子核中的一条稳定轨道，电子在原子内部不同轨道上的质量是不同的。对同一种原子而言，电子离原子核越近质量越小、离核越远质量越大。当然了，处于游离态的电子（自由电子）质量是最大的，可以认为此时的电子是处于'吃饱喝足'状态的，如果再吸收一个光子电子又会变得不稳定（电子内部结合力不足以维持电子成为一个整体状态），将在极短时间内'裂变'放出光子重新形成能够稳定存在的电子。这里，我们把'吃饱喝足'并且处于临界状态的自由电子的质量称作电子的'临界质量'，小于'临界质量'的电子可以吸收光子也可能放出光子，但是大于'临界质量'的电子则只能'裂变'放出光子而不会继续增大质量，也就是说超过'临界质量'的电子通常情况下都是极不稳定的。这里我们看到：电子的质量不能无限增大，电子质量有最大值，超过这个质量的电子都是不稳定的。
从光子的角度来看，对不同质量的光子而言，光子质量越小则其进入电子内部后引起电子质量变化也越小，对整个电子内部各部分之间的平衡影响也越小，因而和电子之间的结合力也越大；反之光子质量越大其进入电子内部后引起电子质量变化也越大，对整个电子内部各部分之间的平衡影响也越大，因而和电子的结合力也越小。如果某一质量的电子吸收特定质量的光子后如果其质量之和正好达到'质量幻数'，则电子对该质量的光子结合力是很大的，表现为电子能够吸收该光子。通常情况下，电子离原子核越近受到原子核静电引力'撕扯作用'就越强、电子质量就越小、内部结合力就越大、吸收光子的能力也越强；电子离原子核越远则受到原子核静电引力'撕扯作用'就越弱、电子质量越大、内部结合力就越小、吸收光子的能力也越弱。电子可以吸收光子到达离原子核较远的轨道，也可以放出光子回到离原子核较近的轨道，这一过程是可逆的、可无限次重复的。
既然不同质量的电子内部结合力不同，电子存在'质量幻数'，那么我们应该在实验中观测到这一现象。1914年弗兰克和赫兹在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。弗兰克赫兹实验装置主要是一只充气三极管，电子从加热的铂丝发射，铂丝外有一同轴圆柱形栅极，电压加于其间，形成加速电场。电子穿过栅极被外面的圆柱形板极接受，板极电流用电流计测量。当电子管中充以汞蒸气时，实验发现每隔4.9伏电势差，板极电流都要突降一次。弗兰克赫兹实验测定表明，电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量严格地保持在4.9电子伏，即汞原子只接收4.9电子伏的能量。如在管子里充以氦气，也会发生类似情况，但其临界电势差约为21伏。弗兰克赫兹实验至少表明三点：第一是原子内部能级是不连续的，第二就是自由电子在与其他原子作用时很容易损失能量（很显然自由电子损失了能量当然会减少质量）；第三就是处于原子核束缚作用下的电子可以吸收能量。从微观角度来讲，自由电子质量较大、内部各部分之间的结合力较小，它既可以吸收光子也可以放出光子，当它遇到一个在原子核静电引力束缚作用下'饥饿程度'比它大许多的电子时，当然会被'掠夺'一部分质量；如果在原子核静电引力束缚作用下电子的'饥饿程度'继续增大，它就会从自由电子那里'掠夺'更多的质量，这也就是实验中表现出来的不同原子的临界电势差不同的根本原因。光电效应证明处于原子核束缚作用下的电子在吸收了能量足够大的光子后会摆脱原子核静电引力束缚作用成为自由电子，也充分证明了处于原子核束缚作用下的电子能够吸收能量（增大质量）。原子发光现象表明处于激发态的电子可以'裂变'放出光子，说明电子的确会放出光子减小质量，至此电子能够吸收光子也能够放光子已经有了实验证实，这个实验也在一定程度上间接证实了电子'质量幻数'的存在。
1923年康普顿发现X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)散射时，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。对于康普顿效应，通常认为散射光波长改变是X射线（光子）和电子碰撞的结果，碰撞过程同时满足动量守恒和能量守恒；若X射线（光子）和内层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光的能量减少，于是散射光的波长变大。在X射线（光子）和内层电子的碰撞过程中，碰撞前外层电子处于原子核束缚作用下因而质量较小、内部结合力较大，也就是碰撞前内层电子'饥饿程度'较大，所以它可以吸收X射线（光子），而内层电子在吸收了X射线（光子）后同时也吸收了光子的冲量作用，在这个作用下内层电子摆脱了原子核静电引力的束缚成为超过'临界质量'的自由电子，此时新形成的电子质量大于电子的'临界质量'。我们知道大于'临界质量'的超大电子是极不稳定的，这个质量超大的电子会迅速'裂变'重新生成一个电子并放出X射线（光子），而放出的X射线（光子）由于能量被电子吸收了一部分，所以放出的X射线（光子）能量会小于原来入射的X射线（光子）的能量。康普顿效应在一定程度上证明了超'临界质量'的电子通常都是极不稳定的，会在极短时间内'裂变'重新生成一个能够稳定存在的电子并放出光子。
质量较大的光子与电子作用后的偏折角度也越大。通常情况下，电子离原子核越近其质量越小、'饥饿程度'越高因而也越容易和能量较高的光子作用，电子离原子核越远其质量越大、'饥饿程度'越低也越容易和能量较低的光子作用，当一束能量不同的混合光与原子中的电子相互作用后，能量大的光子的偏折角度较大、能量小的光子偏折角度较小，原因我们将在下一章节中讨论。
第三节 光子与小质量微粒作用形式
既然原子核和电子都有内部结构并且质量都比光子的质量大，那么光子有没有内部结构呢？光子的内部结构又有怎样的特点呢？
光子的粒子性本质。我们认为：①光的本质属性是粒子性，自然界中能够稳定存在的光子质量是不连续的，光子的质量只能是最小质量的整数倍，与原子核'质量幻数'类似，我们把能够稳定存在的光子的不同质量称为光子'质量幻数'。②不同质量的光子有不同的内部结合力，一般而言光子质量越小内部结合力越大，光子质量越大内部结合力越小。③光子也存在'临界质量'，质量大于'临界质量'的光子在自然界中是不稳定的，会在极短时间内'裂变'生成能够稳定存在的质量较小的光子。
如果我们用横坐标表示光子的质量，用纵坐标表示光子内部结合力，则我们同样可以画出光子质量结合力草图。可以看到：质量较小的光子其内部结合力较大，光子也可以吸收其它粒子增大质量，比如光子可以吸收若干个引力子增大质量；与电子内部结合力类似，质量极大的光子由于内部结合力较小在与其它粒子作用时会被其它粒子'掠夺'一部分质量，比如在康普顿散射实验中能量较高的X射线光子被物质散射后波长变长能量变小（实际上是质量有损失），这个实验从一定程度上证明了大质量的光子内部结合力较弱，会被其他粒子'掠夺'一部分质量。
自然界中稳定存在的光子的质量是不连续的观点已经有明确的实验事实支持，上个世纪初物理学家在研究热辐射现象时发现：任何物体只要其温度在绝对零度以上都会向周围辐射能量，同时也会从外界吸收能量。普朗克在1900年研究物体热辐射规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的、而是一份一份进行的，计算的结果才能和试验结果相符。爱因斯坦随后提出了光量子假说，认为光和原子、电子等微粒一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子，每个光量子的能量E=hν。黑体辐射现象和光量子假说无一例外地说明一个事实：光子的能量是一份一份的，自然界中能够稳定存在的光子的能量（质量）都是不连续的，所有光子的能量均为某个最小能量的整数倍。
光子有特定的内部结构，同样可以认为：光子存在'质量幻数'。举个例子来说如果某一光子的质量数为102，则比它质量稍大一点的光子的质量数只可能是103，而不可能是102.3、102.4、102.5或者介于102和103之间的其它数值；当然了比它质量稍小一点的光子的质量数只可能是101了。这里我们看到：光子的质量同样不是连续变化的，相对论认为光子没有静质量，更喜欢用频率来表示光子能量的高低。不管用质量还是用频率表示光子能量的高低，光子的能量都不是连续变化的（光子的频率不是连续变化的）。
光子与引力子的作用。根据目前我们知道的实验结果，引力子的质量要远远小于光子的质量。那么，光子会与引力子的作用有什么规律呢？原子核和中子的相互作用中有碰撞和吸收两种形式，电子和光子的作用也有碰撞和吸收两种形式，据此，我们认为光子和引力子的作用也有碰撞和吸收两种形式，换一个简单的说法就是光子和引力子之间的作用主要有吸收和不吸收这两种作用形式。当光子遇到单个的引力子时并不会吸收这个引力子，因为光子吸收了单个的引力子后质量增加极其微小，所以也是极不稳定的，这样的光子将在极短时间内'裂变'放出引力子，由于这个作用时间极短、作用效果极不明显，我们也可以认为光子不能单个的引力子。反之，如果光子在同一时间吸收了足够多的引力子（假设光子同时吸收了10000个引力子），则光子质量增加较多就有可能从一个'质量幻数'增大到另一个'质量幻数'，而此时光子由于处于'质量幻数'位置，内部结合力较大所以能够稳定存在，从光子和引力子的作用效果上来看，光子就能够同时吸收10000个引力子。
引力作用能够改变光子的运动轨迹，说明光子能够吸收引力子。由于引力子的质量比光子小得多，所以光子不能吸收单个的引力子却可以同时吸收若干个引力子形成新的、质量更大的、能够稳定存在的光子。对光子而言，只有'最小吸收基数'整数倍的引力子才可能被完全吸收，充分表明光子吸收的引力子数目是不连续的。举例来说，假设光子一次最少吸收的引力子数目只能是10000的整数倍，那么在某一瞬间同时有9999个、10001个、15000个、21000个、29000个、30005个……引力子与光子作用，其结果如何呢？很显然，光子与9999个引力子作用时不能吸收这9999个引力子；光子与10001个引力子作用时将吸收10000个引力子并放出一个引力子；光子与15000个引力子作用也同样将吸收10000个引力子并放出5000个引力子；在光子与21000个、29000个引力子作用时，它将吸收20000个引力子并分别放出1000个、9000个引力子，可见光子与21000个和29000个引力子作用结果是相同的。同时还应该看到，光子与9999个引力子作用和光子与10000个引力子作用的结果是截然不同的：当光子与9999个引力子作用不会吸收这9999个引力子，仅仅受到引力子极其微小的冲量作用，其运动轨迹只发生微小变化；而当光子与10000个引力子作用时，它可以完全吸收这10000个引力子，故可以完全吸收这10000个引力子的冲量，导致光子的运动轨迹也将发生较大变化。
第四节 相同引力作用下质量小的光子偏折角度大
万有引力最突出的特性就是遵循平方反比规律。反平方定律是一个物理学定律，又称平方反比定律、逆平方律、反平方律;如果任何一个物理定律中，某种物理量的分布或强度，会按照距离源的远近的平方反比而下降，那么这个定律就可以称为是一个反平方定律。反平方定律指物体或粒子的作用强度，随距离的平方而线性衰减，即作用力与距离平方成反比关系。例如天体之间的万有引力，电荷之间的库仑力，或光源的照度都是随着距离的平方线性衰减。
上图是光源的照度随着距离的平方线性衰减的示意图，如果假设在某距离上单位面积上光源的照度为100%，则距离扩大一倍后单位面积上光源的照度为四分之一，3倍距离处单位面积上光源的照度仅为原来的九分之一，4倍距离处单位面积上光源的照度仅为原来的十六分之一……
光子在引力场中的受力分析。光子在引力场中受力是怎样的呢？如果我们认为光是一种物质波，不易对其进行受力分析；反之如果我们认为光子是一种粒子，则较容易对其进行受力分析。
可见，光子在引力中的加速度（偏折角度）与光子的半径成反比，光子半径越小其加速度（偏折角度）越大、光子半径越大其加速度（偏折角度）越小，也就是说大质量的光子在引力场中的偏折角度要小于小质量的光子，光子质量越小偏折角度就越大。
宏观物质要引力场中的受力可以用数学公式G＝mg来表示，G为物质受到的引力，m为物质的质量，g为常数。不同质量、不同密度的物体在地球表面获得的重力加速度都是9.8米每秒，不论这个物体是铁质的还是木质的，是橡胶还是羽毛其加速度都是9.8米每秒。但是光子这类微观粒子在引力场中却表现出了与宏观完全不同的特性：质量越大的光子在引力场中的加速度越小、质量越小的光子在引力场中的加速度越大，这也在一定程度上为我们深入认识引力场的本质提供了依据。