天天看点

量子力学(三)光电效应:这18年间,唯一一位认真对待光量子的人

作者:酱子聊科学

物理学家普朗克曾经说过:"新的科学事实被接受,不是因为对手被说服了,而是因为对手最终死了......"

听到这里,我们都以为普朗克是一个敢于接受新想法的人,但他没有。

为了解决黑体辐射的问题,他自己曾提出黑体辐射能量是"一体的",但他自己也不敢相信这是真的。关于他的这种假设也仅限于数学意义上,而不是物理思想。(这是关于黑体辐射:黑体辐射量子理论的诞生:真正的革命是连革命者自己都反对它)

通过他的假说,爱因斯坦受到启发,大胆地提出,要解决光电效应的问题,光也必须是"一次一粒"。这时,普朗克还是很困惑,他以为爱因斯坦这个"笑话""开口了"。

量子力学(三)光电效应:这18年间,唯一一位认真对待光量子的人

爱因斯坦和普朗克

什么是光电效应?简单地说,当光线照射在金属上时,它可以触发电子。这种现象是由赫兹在1887年发现的。

当光照射在金属上时,它会一个接一个地激发电子,但并非所有光都能从金属中产生电子。在实验中,物理学家发现不同颜色的光可以发挥电子的作用,但有些不能。例如,可见光中的红光不能使金属产生电子,但不可见光中的蓝光或紫外线可以。

量子力学(三)光电效应:这18年间,唯一一位认真对待光量子的人

无论用多少红光照射在金属上多久都不能刺激电子,而紫外线,电子会立即被激发。这太奇怪了!

麦克斯韦在经典物理学中的电磁理论使人们相信光是一种发射连续能量的电磁波。根据电磁理论,电子可以被激发出来并且与光的强度有关,而光的强度可以用来连续照射金属可以积累越来越多的能量,那么为什么无论可见光照射多长时间都不能被击中呢?相反,像紫外线这样的光,即使它很弱,只要它照射在金属上,就可以激发电子。

量子力学(三)光电效应:这18年间,唯一一位认真对待光量子的人

这种光电效应现象是经典物理学理论无法解释的。

爱因斯坦曾经假设光速保持不变,创造了狭义上的相对论。现在,他再次从大处着眼,提出如果将光的能量视为一体,它可以解释光电效应。

于是在1905年,他发表了一篇论文《光的产生和转化的启蒙观点》,明确阐述了他的观点,即光是"波袋",这个"波袋"的最小能量是E-h,h是普朗克常数,以及光的频率。频率越大,能量越大。

当光照射到金属表面时,电子吸收光量子的一部分,金属的撞击很大程度上取决于单个光子的能量,而不是光的强度。所以电子能否被激发,只关系到光的频率,而与光的强度无关,光的强度只是光子流动的密度。

因为一块高频光足以制造光子。这就像,我们用玩具枪射击一堵砖墙,无论你射击多长时间,墙壁都不会倒塌,而用一枚非常强大的炮弹,一发子弹就可以把它炸开。

爱因斯坦关于量子光的主张并没有被美国物理学家刘易斯在1926年用今天常用的术语"光子"所取代。

爱因斯坦关于光的本质的论文最终获得了1922年的诺贝尔物理学奖,这是爱因斯坦一生中唯一的诺贝尔奖。

要知道,1905年,爱因斯坦一共发表了六篇论文,其中关于狭义相对论,有一把真正的锤子来证明原子的存在关于分子热运动,以及关于质量守恒定律......从现在开始,每篇文章都可以达到纳米奖的水平。但由于科学家仍然对相对论感到疑惑,并且没有颁发奖项,诺贝尔委员会规定,一个人只能在同一领域获得一次诺贝尔奖。所以爱因斯坦只能拿下诺贝尔光奖。

量子力学(三)光电效应:这18年间,唯一一位认真对待光量子的人

1905年的爱因斯坦

爱因斯坦的量子光理论不仅预测了光的粒子性质。1909年,他还提出光子应该有动量。在后来的一篇论文中,他给出了光子动量的公式为p-h / y,公式p中的p给出了每个光子的动量和光的波长。

他利用狭义相对论中的质量能量方程对光子,得到了光子动能E-mc2。在他的量子光理论中,光子动力学可以是:E-h-h-hc/-t-。当两者结合时,它们会得到p-mc-h/.。c是光速,既是光子运动的速度,也是电磁波传播的速度。

对配方过敏的学生可以直接理解以下文字:

爱因斯坦通过这些公式统一了粒子和波:粒子的能量和动量是通过波的频率和波长来计算的,也就是说,爱因斯坦同时给粒子和波发光。于是他断言:光有波粒两头大象性爱!

这种波粒二分法的发现,不仅结束了300多年的争论,也揭开了量子世界的奇特奥秘,其实就是驱使爱因斯坦等科学家在量子界陷入疯狂的奇特"妖精"。(这个长达几个世纪的争论:量子力学前传:300年的光是一场波或粒子之战。

普朗克假设黑色物体发出的能量为一部分,爱因斯坦假设入射到物体中的光的能量,尽管两者不同,但他们提出了一个全新的概念,量子能量的概念,它自21世纪物理学以来彻底改变了量子力学。

普朗克和爱因斯坦的开创性想法和想法现在看来是自然而明显的。这并不容易。

爱因斯坦的量子光理论在没有科学认可的情况下问世,许多物理学家认为这个假设"完全站不住脚",甚至让普朗克自己也不相信。在经典物理学中,光作为波的概念已经嵌入人们的大脑,当它突然说光是一种粒子时,这难道不是一个笑话吗?

经过反复实验,米利根在1951年证明了爱因斯坦的量子光理论是错误的。

即使当爱因斯坦在1922年获得诺贝尔光电效应奖时,委员会在颁奖时也试图避免承认光子的粒子性质,在描述发射和吸收过程时只提到光量子这个词。他们认为,爱因斯坦光电效应理论最重要的应用和证明来自玻尔在原子结构模型中的应用,这解释了谱线的问题。

直到1923年,也就是爱因斯坦的光电效应理论提出18年后。在实验中,康普顿观察到一些X射线被散射并偏离其原始方向,并且波长变长。

量子力学(三)光电效应:这18年间,唯一一位认真对待光量子的人

康普顿

这不能用经典物理理论来解释。康普顿的解释是,散射过程可以被认为是两个粒子的碰撞,一个自由电子和另一个光子。波长长射线的那一部分是由光子和电子之间的碰撞引起的。

光子不仅携带能量,而且具有动量,当它们与电子碰撞时,它们会将一部分能量传递给电子。这样,光子的能量就会减少,按照公式:E-h,能量E会降低,频率也会降低,频率和波长反比,所以波长越大。这就是著名的康普顿效应。

量子力学(三)光电效应:这18年间,唯一一位认真对待光量子的人

上帝创造了光,爱因斯坦指出了光的本质是什么,康普顿是第一个真正意义上"看到"光的人。直到那时,人们才真正认识到爱因斯坦的量子光理论。

爱因斯坦的传记作者曾经写道:"从1905年到1923年,爱因斯坦是唯一一个,或者几乎是唯一一个认真对待量子光的人。

玻尔是如何利用普朗克和爱因斯坦的能量量子化理论来构建他的原子模型的?下次再聊吧。

继续阅读