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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。


 
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