|
|
|
和颜清心的博客 |
|
学习传统文化;养生保健;圆满人生;寻求健康快乐的生活方式;解除情绪的紧张,工作的压力。 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 656、使人爱恨纠结的事:1921年诺贝尔物理学奖 |
|
4 分钟:快乐 4分钟
现在,让我们稍稍重复一遍上一篇的重点, 即:‘光电效应’只跟光的频率有关。 比如,用频率很低的红光 照射金属表面, 任多么强的红光都打不出电子, 若用微弱的高频紫外光
就能轻易地打出电子来。
早在19世纪末, 德国的勒纳德(1862-1947)实验, 就已经发现: 当照射光的频率提高时,逸出电子就产生了。 所打出的单个电子的能量大小只跟频率有关, 高频光打出的电子能量大,反之就小。 增加光强只能增加打出电子的数量, 却不会增加单个电子的能量。 勒纳德在实验中把光强提高了1000倍, 发现单个电子的能量, 比原先并没有增加一分一毫。 ‘光电效应’第2个要点, 电子从光线中吸收能量 达到足以摆脱原子核的束缚, 并没有能量的积累时间: 光电效应,要么打不出电子,多长时间也没反应, 要么是瞬间反应, 反应速度大约是10-9秒(100万分之一秒)。 面对“光电效应”这样一个实验事实, 爱因斯坦经过深思熟虑,进一步了解到: 谁说频率跟能量无关?普朗克不是说E=hv吗? 这个E是能量,v不正是频率吗! 爱因斯坦想, 射向金属表面的那束光线 是由千万个微小的粒子组成的光子流, 正如水柱是由水分子组成的。 每一个‘光粒子’都满足普朗克的量子公式: E=hv,即,‘光子’的能量是‘普朗克常数’ 与‘频率’的乘积。 因此可以把‘光粒子’称为“光量子”。 由量子公式规定, 单个光量子的能量是由频率v决定的, h是一个常量, 频率高的光量子能量高, 频率低的光量子能量低。 这么一想, 光电效应实验的秘密就揭开了。 那么,为什么光电效应,只跟光线的频率相关? 因为电子有一种自我保护能力,这种自我保护能力, 既能保护自己不会坠落到原子核上, 也不会使自己飞离家园。 若要离开原子家园, 必须有一个增加的最低限能量W, 入射光子的能量hv必须大于最低限能量W, 换言之,频率v必须要大于某种频率的极限值。 ‘紫外光’频率很高, 就决定了‘紫光’光量子的能量, 以大到足以超过电子出离所需能量, 于是光电效应就发生了; 而红光因为频率低,红光的光子能量很小, 达不到电子出离所需要的极限能量W, 所以就不会有光电效应发生了。 电子要么吸收一个能量大于W的光量子而瞬间逃逸, 要么就在原地呆着。 所以不够能量的光,再强也没用。 一个电子只跟一个光量子发生作用。 在高频率的前提下,光强若大, (光束中的光子密度大), 电子碰撞的概率就大, 能打出的自由电子数目也就多。 1905年3月14日, 爱因斯坦在德国的《物理学纪事》杂志上, 发表了题为《关于光的产生和转变的一个启发性观点》, 在这篇文章中,神奇的“光量子”首次面世。 (3)“光量子”问世之后
“光量子”问世后,许多人认为, 既然说光是粒子, 可是这种粒子却又用‘波’的v(频率)来定义, 如此不自洽,是科学家所不能接受的。 所以,爱因斯坦的光量子学说一问世, 就受到冷遇或反对, 甚至连“量子之父”普朗克也说, 这个年轻人“走得太远了”。 在普朗克心中,量子只是公式中的符号, 这种符号是为了解释热辐射所做的数学形式, 而不是一种客观实在。 爱因斯坦却把量子从数学形式中,释放出来, 爱因斯坦将 让光量子充斥整个物理学界, 这就不能不牵动整个科学界的质疑了。 但是,质疑归质疑, 随着爱因斯坦学术魅力深入人心, 在1922年,有人提出以“光电效应理论”为由 (既不提相对论,也不提光量子假说), 科学家以‘光电效应’的名义投票通过, 把上一年1921年诺贝尔物理学奖,颁给爱因斯坦。 1923年,玻恩在一篇论文中说: “必须有新的设想,而且物理学概念的整个系统 必须在这个基础上重新建立。” 后来的研究证明,这种“新的设想”就是 世界是由分立的物质和连续的能量(辐射) 共同构成的。而量子化现象就发生 在这2大板块相互结合的深处。 爱因斯坦的光量子学说,真的是“走得太远了”, 但是人们最终发现,它确是符合实验事实的。 除了在前面已经提到的 美国实验物理学家密立根的实验, 下面,还将介绍‘康普顿实验’ 对光量子学说的成功验证。 爱因斯坦让本来就存在的光量子得见天日, 这种发现,让整个科学界以及整个思想界, 都为能认识这个充满神奇魅力的精灵, 感到喜悦和兴奋, 这真是一种“革命性的发现”啊。
谢谢阅读。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|