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1905奇迹年:爱因斯坦的光量子假说及其对量子力学的贡献

2024-08-24科学

量子论的发展颇为曲折和漫长,它并不是某个科学家天才般的想法,而是整整一代科学精英们一起把它的神秘面纱逐渐揭露出来。


有阶段没分享【上帝掷骰子吗?:量子物理史话】中的故事和观点了,今天继续。


在这整整一代科学精英中,就有 爱因斯坦 ,他一锤定音式地发现了相对论,属于那种天才式的人物。但在量子论方面,他做过贡献,也站在过量子论的对立面,当然,这些以后再讲,今天我们先来说说他做过的贡献。


1905年,是物理学的上的奇迹年,而之所以能称为奇迹,主要就是因为在爱因斯坦身上出现了奇迹。他如同开挂一样,在这一年连发三篇举世瞩目的论文,一篇提出了狭义相对论,一篇解释了分子的布朗运动,另外一篇就是今天的主角, 光量子假说


我们记住这最后一篇论文的题目【关于光的产生和转化的一个启发性观点】。


在【上帝掷骰子吗?】一书中指出:

电磁理论认为,光作为一种波动,它的强度代表了它的能量,增强光的强度应该能够打击出更高能量的电子。但实验表明,增加光的强度只能打击出更多数量的电子,而不能增加电子的能量。要打击出更高能量的电子,则必须提高照射光线的频率。提高频率,提高频率。爱因斯坦突然灵光一闪:E=hν,提高频率,不正是提高单个量子的能量吗?而更高能量的量子,不正好能够打击出更高能量的电子吗。

怎么理解呢?我们先来看看这个公式: E=hν


这里的 E 代表能量,h 是一个常数(普朗克常数),ν是光的频率。当频率增加时,每个光子的能量也相应增加。



爱因斯坦反驳了传统的麦克斯韦理论,而且有实验作为论据。麦氏理论只能对于一种平均情况有效,而对于瞬间能量的发射、吸收等问题,这个理论就与实验相矛盾了。


这是个什么实验呢?就是用不同频率的光线去照射金属表面,结果发现了书中提到的结果:

比如紫外光,它的单个量子要比频率低的光线含有更高的能量(E=hν),因此当它的量子作用到金属表面的时候,就能够激发出拥有更高动能的电子来。


但是对于低频光来说,它的每一个量子都不足以激发出电子,那么,含有再多的光量子也无济于事。

我们理解频率,可以理解为光波的振动快慢,振动得越快,频率越高。


而光的强度,只不过是说明这个光波有更多数量的光子,所以更亮,可以轰击出更多数量的电子。


麦氏理论认为,光具有波动性。但爱因斯坦提出了一个新观点:光不仅仅是波动,它还可以被看作是由许多小 「能量包」 组成的,叫做「光子」。每个光子的能量与它的频率有关,频率越高,光子的能量就越大。


书中为了便于小白更好理解,用了一个通俗的解释来说明这种光量子轰击电子的过程:

我们把光电效应想象为一场有着高昂入场费的拍卖。每个量子是一个顾客,它所携带的能量相当于一个人拥有的资金。要进入拍卖现场,每个人必须先缴纳一定数量的入场费,而在会场内,一个人只能买一件物品。

我们来理解下,每个光量子就相当于一个顾客,而许多顾客组成了一条光线,相当于一个代表团,如果是紫外线代表团,里面的每个人都很有钱,扣除入场费,还有不少,而买的物品相当于电子,能量越高好比钱越多,可以买到等值的更高能量的电子。


而对于低频的光线代表团来说,里面的成员都比较穷,扣除入场费之后,都没钱买最低能量的电子物品了,所以就轰击不出电子出来。


而这个交入场费的过程,爱因斯坦也推导了一个方程式出来,其中P就是入场费的能量,hv就是单个光量子的能量,两者一减,就是剩余的最大动能,也就是可以评估能够买多好的电子「货物」:

好了,大家是不是听明白了一点呢,以上就是爱因斯坦对量子论的贡献。下一篇,我们会聊到量子论基石上另外一个重量级人物-玻尔。敬请期待。