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1905奇跡年:愛因斯坦的光量子假說及其對量子力學的貢獻

2024-08-24科學

量子論的發展頗為曲折和漫長,它並不是某個科學家天才般的想法,而是整整一代科學精英們一起把它的神秘面紗逐漸揭露出來。


有階段沒分享【上帝擲骰子嗎?:量子物理史話】中的故事和觀點了,今天繼續。


在這整整一代科學精英中,就有 愛因斯坦 ,他一錘定音式地發現了相對論,屬於那種天才式的人物。但在量子論方面,他做過貢獻,也站在過量子論的對立面,當然,這些以後再講,今天我們先來說說他做過的貢獻。


1905年,是物理學的上的奇跡年,而之所以能稱為奇跡,主要就是因為在愛因斯坦身上出現了奇跡。他如同開掛一樣,在這一年連發三篇舉世矚目的論文,一篇提出了狹義相對論,一篇解釋了分子的布朗運動,另外一篇就是今天的主角, 光量子假說


我們記住這最後一篇論文的題目【關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點】。


在【上帝擲骰子嗎?】一書中指出:

電磁理論認為,光作為一種波動,它的強度代表了它的能量,增強光的強度應該能夠打擊出更高能量的電子。但實驗表明,增加光的強度只能打擊出更多數量的電子,而不能增加電子的能量。要打擊出更高能量的電子,則必須提高照射光線的頻率。提高頻率,提高頻率。愛因斯坦突然靈光一閃:E=hν,提高頻率,不正是提高單個量子的能量嗎?而更高能量的量子,不正好能夠打擊出更高能量的電子嗎。

怎麽理解呢?我們先來看看這個公式: E=hν


這裏的 E 代表能量,h 是一個常數(普朗克常數),ν是光的頻率。當頻率增加時,每個光子的能量也相應增加。



愛因斯坦反駁了傳統的麥克斯韋理論,而且有實驗作為論據。麥氏理論只能對於一種平均情況有效,而對於瞬間能量的發射、吸收等問題,這個理論就與實驗相矛盾了。


這是個什麽實驗呢?就是用不同頻率的光線去照射金屬表面,結果發現了書中提到的結果:

比如紫外光,它的單個量子要比頻率低的光線含有更高的能量(E=hν),因此當它的量子作用到金屬表面的時候,就能夠激發出擁有更高動能的電子來。


但是對於低頻光來說,它的每一個量子都不足以激發出電子,那麽,含有再多的光量子也無濟於事。

我們理解頻率,可以理解為光波的振動快慢,振動得越快,頻率越高。


而光的強度,只不過是說明這個光波有更多數量的光子,所以更亮,可以轟擊出更多數量的電子。


麥氏理論認為,光具有波動性。但愛因斯坦提出了一個新觀點:光不僅僅是波動,它還可以被看作是由許多小 「能量包」 組成的,叫做「光子」。每個光子的能量與它的頻率有關,頻率越高,光子的能量就越大。


書中為了便於小白更好理解,用了一個通俗的解釋來說明這種光量子轟擊電子的過程:

我們把光電效應想象為一場有著高昂入場費的拍賣。每個量子是一個顧客,它所攜帶的能量相當於一個人擁有的資金。要進入拍賣現場,每個人必須先繳納一定數量的入場費,而在會場內,一個人只能買一件物品。

我們來理解下,每個光量子就相當於一個顧客,而許多顧客組成了一條光線,相當於一個代表團,如果是紫外線代表團,裏面的每個人都很有錢,扣除入場費,還有不少,而買的物品相當於電子,能量越高好比錢越多,可以買到等值的更高能量的電子。


而對於低頻的光線代表團來說,裏面的成員都比較窮,扣除入場費之後,都沒錢買最低能量的電子物品了,所以就轟擊不出電子出來。


而這個交入場費的過程,愛因斯坦也推導了一個方程式式出來,其中P就是入場費的能量,hv就是單個光量子的能量,兩者一減,就是剩余的最大動能,也就是可以評估能夠買多好的電子「貨物」:

好了,大家是不是聽明白了一點呢,以上就是愛因斯坦對量子論的貢獻。下一篇,我們會聊到量子論基石上另外一個重量級人物-玻爾。敬請期待。