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544、使人爱恨纠结的1921年诺贝尔物理学奖
送交者: 和颜清心 2018年10月25日15:33:07 于 [教育学术] 发送悄悄话



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(18621947)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,

要么瞬间反应

反应速度大约是109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Ehv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:

Ehv,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。

1905314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”。

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,

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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