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量子力學(三)光電效應:這18年間,唯一一位認真對待光量子的人

作者:醬子聊科學

實體學家普朗克曾經說過:"新的科學事實被接受,不是因為對手被說服了,而是因為對手最終死了......"

聽到這裡,我們都以為普朗克是一個敢于接受新想法的人,但他沒有。

為了解決黑體輻射的問題,他自己曾提出黑體輻射能量是"一體的",但他自己也不敢相信這是真的。關于他的這種假設也僅限于數學意義上,而不是實體思想。(這是關于黑體輻射:黑體輻射量子理論的誕生:真正的革命是連革命者自己都反對它)

通過他的假說,愛因斯坦受到啟發,大膽地提出,要解決光電效應的問題,光也必須是"一次一粒"。這時,普朗克還是很困惑,他以為愛因斯坦這個"笑話""開口了"。

量子力學(三)光電效應:這18年間,唯一一位認真對待光量子的人

愛因斯坦和普朗克

什麼是光電效應?簡單地說,當光線照射在金屬上時,它可以觸發電子。這種現象是由赫茲在1887年發現的。

當光照射在金屬上時,它會一個接一個地激發電子,但并非所有光都能從金屬中産生電子。在實驗中,實體學家發現不同顔色的光可以發揮電子的作用,但有些不能。例如,可見光中的紅光不能使金屬産生電子,但不可見光中的藍光或紫外線可以。

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無論用多少紅光照射在金屬上多久都不能刺激電子,而紫外線,電子會立即被激發。這太奇怪了!

麥克斯韋在經典實體學中的電磁理論使人們相信光是一種發射連續能量的電磁波。根據電磁理論,電子可以被激發出來并且與光的強度有關,而光的強度可以用來連續照射金屬可以積累越來越多的能量,那麼為什麼無論可見光照射多長時間都不能被擊中呢?相反,像紫外線這樣的光,即使它很弱,隻要它照射在金屬上,就可以激發電子。

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這種光電效應現象是經典實體學理論無法解釋的。

愛因斯坦曾經假設光速保持不變,創造了狹義上的相對論。現在,他再次從大處着眼,提出如果将光的能量視為一體,它可以解釋光電效應。

于是在1905年,他發表了一篇論文《光的産生和轉化的啟蒙觀點》,明确闡述了他的觀點,即光是"波袋",這個"波袋"的最小能量是E-h,h是普朗克常數,以及光的頻率。頻率越大,能量越大。

當光照射到金屬表面時,電子吸收光量子的一部分,金屬的撞擊很大程度上取決于單個光子的能量,而不是光的強度。是以電子能否被激發,隻關系到光的頻率,而與光的強度無關,光的強度隻是光子流動的密度。

因為一塊高頻光足以制造光子。這就像,我們用玩具槍射擊一堵磚牆,無論你射擊多長時間,牆壁都不會倒塌,而用一枚非常強大的炮彈,一發子彈就可以把它炸開。

愛因斯坦關于量子光的主張并沒有被美國實體學家劉易斯在1926年用今天常用的術語"光子"所取代。

愛因斯坦關于光的本質的論文最終獲得了1922年的諾貝爾實體學獎,這是愛因斯坦一生中唯一的諾貝爾獎。

要知道,1905年,愛因斯坦一共發表了六篇論文,其中關于狹義相對論,有一把真正的錘子來證明原子的存在關于分子熱運動,以及關于品質守恒定律......從現在開始,每篇文章都可以達到納米獎的水準。但由于科學家仍然對相對論感到疑惑,并且沒有頒發獎項,諾貝爾委員會規定,一個人隻能在同一領域獲得一次諾貝爾獎。是以愛因斯坦隻能拿下諾貝爾光獎。

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1905年的愛因斯坦

愛因斯坦的量子光理論不僅預測了光的粒子性質。1909年,他還提出光子應該有動量。在後來的一篇論文中,他給出了光子動量的公式為p-h / y,公式p中的p給出了每個光子的動量和光的波長。

他利用狹義相對論中的品質能量方程對光子,得到了光子動能E-mc2。在他的量子光理論中,光子動力學可以是:E-h-h-hc/-t-。當兩者結合時,它們會得到p-mc-h/.。c是光速,既是光子運動的速度,也是電磁波傳播的速度。

對配方過敏的學生可以直接了解以下文字:

愛因斯坦通過這些公式統一了粒子和波:粒子的能量和動量是通過波的頻率和波長來計算的,也就是說,愛因斯坦同時給粒子和波發光。于是他斷言:光有波粒兩頭大象性愛!

這種波粒二分法的發現,不僅結束了300多年的争論,也揭開了量子世界的奇特奧秘,其實就是驅使愛因斯坦等科學家在量子界陷入瘋狂的奇特"妖精"。(這個長達幾個世紀的争論:量子力學前傳:300年的光是一場波或粒子之戰。

普朗克假設黑色物體發出的能量為一部分,愛因斯坦假設入射到物體中的光的能量,盡管兩者不同,但他們提出了一個全新的概念,量子能量的概念,它自21世紀實體學以來徹底改變了量子力學。

普朗克和愛因斯坦的開創性想法和想法現在看來是自然而明顯的。這并不容易。

愛因斯坦的量子光理論在沒有科學認可的情況下問世,許多實體學家認為這個假設"完全站不住腳",甚至讓普朗克自己也不相信。在經典實體學中,光作為波的概念已經嵌入人們的大腦,當它突然說光是一種粒子時,這難道不是一個笑話嗎?

經過反複實驗,米利根在1951年證明了愛因斯坦的量子光理論是錯誤的。

即使當愛因斯坦在1922年獲得諾貝爾光電效應獎時,委員會在頒獎時也試圖避免承認光子的粒子性質,在描述發射和吸收過程時隻提到光量子這個詞。他們認為,愛因斯坦光電效應理論最重要的應用和證明來自玻爾在原子結構模型中的應用,這解釋了譜線的問題。

直到1923年,也就是愛因斯坦的光電效應理論提出18年後。在實驗中,康普頓觀察到一些X射線被散射并偏離其原始方向,并且波長變長。

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康普頓

這不能用經典實體理論來解釋。康普頓的解釋是,散射過程可以被認為是兩個粒子的碰撞,一個自由電子和另一個光子。波長長射線的那一部分是由光子和電子之間的碰撞引起的。

光子不僅攜帶能量,而且具有動量,當它們與電子碰撞時,它們會将一部分能量傳遞給電子。這樣,光子的能量就會減少,按照公式:E-h,能量E會降低,頻率也會降低,頻率和波長反比,是以波長越大。這就是著名的康普頓效應。

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上帝創造了光,愛因斯坦指出了光的本質是什麼,康普頓是第一個真正意義上"看到"光的人。直到那時,人們才真正認識到愛因斯坦的量子光理論。

愛因斯坦的傳記作者曾經寫道:"從1905年到1923年,愛因斯坦是唯一一個,或者幾乎是唯一一個認真對待量子光的人。

玻爾是如何利用普朗克和愛因斯坦的能量量子化理論來建構他的原子模型的?下次再聊吧。

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