麦克斯韦理论没有注意到量子化的问题,要精确打击
3.1.2 光电效应和爱因斯坦的光量子
3.1.2 光电效应和爱因斯坦的光量子
光电效应和爱因斯坦的光量子的假设进一步发展了普朗克的作用量子的理论。在讨论光电子理论前,我们还是先引一段库珀书上的话:
在普朗克的作用量子的假设中,并没有考虑到电子那样的实物和光的相互间的关系,所以普朗克的关系式 可以说是凭空想出来的、毫无根据的东西、毫无根据的东西,它对于经典物理学来说也是大逆不道的。甚至普朗克本人,还有其它人,都希望能有某种方式是这个关系式消失掉。
普朗克写道:他“试图将h纳入经典物理学的范畴,但是一切试验都失败了,这个量显得非常顽固。”
他又写道:“想越过这个泥潭的一切尝试都失败了,这使人们毫无疑义地很快意识到,作用量子在原子物理学中将起重大的作用……”
最后,他说:“在好几年时间内,我化费了很大的劳动,徒劳地去尝试如何将量子作用引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是某种悲剧。但我自己有不同的看法,因为我从深入的剖析中获得极大的好处。要知道,起初我只是倾向于认为,而我现在确切地知道,作用量子将在物理学中发挥巨大的作用……”
普朗克的话也是对的,因为作用量子揭示了另一个物理世界中的深刻的关系,那就是物理世界中存在着连续和不连续两种辩证的逻辑关系。只是那种关系不是那个时代的人所可以理解的,这种关系是在电磁波和实物的相互作用过程中所体现出来的。一个人能够发现对于新的现象的某种比前人的理论更加合理的解释就非常不容易了,其它的事情的留给后人在新的实践材料出现的时候,才能够继续前进。库珀的书中继续写道:
1887年赫兹在研究电磁波性质时发现,如果用紫外光照射电极,那么电极间的放电就变得容易“点着”了。演示这种这种现象时,将一个阴极置于真空管内,并用光照射它。这时就开始有电子从阴极飞出。这些电子向正电极(方向)运动,产生很微弱的电流。研究这些电流与入射光的颜色和强度间的关系是很有意思的。……根据麦克斯韦理论我们可以期望,光源的功率越大,释放出的电子所具有的能量也越大。但这却与实验观察到的完全不同。
总电流的大小表征着放出的电子数目的多少,它与入射光的强度有关。但对于阴极来说,单个电子的能量只与入射光的颜色(即它的频率)有关。即使是很很弱的光源,只要它的频率足够高,也能引起很大能量的电子的发射。另一方面,低频率的光,不论光源的功率多大,无论如何也不能引起电子的发射。这样的结果是与麦克斯韦理论相矛盾的,因为根据麦克斯韦理论,光也好,电场矢量或者是振动的电磁波也好,都是依靠电场作用于的力而传递能量的。如果光源很弱,则分布于整个空间的电场矢量也很弱。对于这样弱的电场来说,要打出足够能量的电子将需要很长的时间。可是在实验中看到的事实是:不管紫光的强度如何,只要它以射到阴极上,立刻就发出光电子。
显然爱因斯坦所讨论的问题进一步接近了光的不连续性的本质。人的正确的思维总是要有实践的背景,普朗克的理论的实践背景只是黑体辐射,所以他无法把那种辐射的不连续性与光和电子的相互作用联系在一起,而爱因斯坦注意到了赫兹的光电发射实验,所以他注意到了光的能量的不连续性是与电子的相互作用联系在一起的。以后,爱因斯坦把那种“作用量子”,表达成“光在产生和被吸收的过程中体现了“一份一份的、不连续”的性质。这一点直到今天依然是合理的。 我们不再重复关于光电量子的内容。在一篇介绍量子力学的网上的文章中,关于光电效应和光电量子理论,简单总结为:
由于紫外线照射,大量电子从金属表面逸出。经研究发现,光电效应呈现以下几个特点:
a. 有一个确定的临界频率,只有入射光的频率大于临界频率,才会有光电子逸出。
b. 每个光电子的能量只与照射光的频率有关。
c. 入射光频率大于临界频率时,只要光一照上,几乎立刻观测到光电子。
以上3个特点,c是定量上的问题,而a、b在原则上无法用经典物理来解释。
作为对于光电效应的总结,以上三点是简单而明了的。爱因斯坦的光量子效应只要一句话就够了:光给与电子的能量是一份一份的,每一份的大小 。但是理论物理学家有一个通病,就是总不大关心自然科学的实际进展,如果考虑到科学技术的发展,那句紫外线照射现在就应该去掉了。和普朗克所讨论的黑体辐射实验一样,在这些实验中最重要的一个因素就是腔体内部或金属壁上的物质材料的性质。在现代的光电技术中,通过对于光电材料的发展,现在对于所有的光波波段,甚至红外波段,都可以利用光电效应,来摄取色调清晰的图像。在库珀的书中就强调了对于某种不同的表面打出电子需要不同的光子能量量,也就是说不同频率的光都可以产生光电子,只是需要特殊的光电材料摆了。对于光电效应的问题,真正要理解还是要研究不同材料表面上的电子和自然光之间相互作用问题。理论物理是离不开应用物理学的发展的。但是不管怎么说,爱因斯坦的光量子理论进一步说明了光在产生和被吸收的过程中是具有不连续的一份一份的性质。这一点对于科学的发展有着巨大的意义,虽然它的真实的物理内容,仍然不是靠假设可以解决的,而必须等待着新的大自然现象的揭示。