爱因斯坦 光电效应说的是当有光照射在金属表面时，光能可以被导体内被原子核束缚的电子吸收，从而使部分电子成为自由电子形成电流

来源: marketreflections 于 2010-06-01 11:25:19 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 阅读数 : (11691 bytes)

图说量子力学
吃碰杠听胡
96位粉丝
1楼

本主题可能需要一段时间才能补完，如果2楼存在，则说明帖子还没有结束。

2009-6-29 16:12 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
3楼

本贴内容主要提供给高中生和还未学习理论物理的大学生朋友阅读，仅仅作为对量子力学的一个十分浅显初步的介绍，其中将主要介绍量子力学的思想和一些量子力学特有的数学分析方法的基础，并不是站在严格理论意义上的严密论述。
也就是说，读者只需要理解本贴所介绍的量子力学思想和初步了解量子力学的数学方法即可，本贴充其量属于科普。

2009-6-29 16:17 回复

阿shen
20位粉丝
4楼

这个我好好学学看看。厉风通俗一些，这里包括我在内相对量子力学大部分可都是孩子。

2009-6-29 16:19 回复
124.235.128.* 5楼

4L去干点儿正事吧

别扎在孩子堆里瞎起腻

2009-6-29 16:21 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
6楼

十九世纪末期，人类已经可以用牛顿运动力学准确描述机械运动，用麦克斯韦电磁学理论准确描述电磁现象的规律，玻耳兹曼和吉布斯等人也建立了统计物理学来解释几乎所有热力学现象，几乎所有人都认为，物理学已经可以解释人类遇到的所有问题，它已经成为大全理论。

但是，事情远远没有如此乐观。一些不起眼的实验问题，逐步让物理学家们大伤脑筋。
例如科学家们发现，电磁学量居然不遵守牛顿坐标变换。这个问题直接催生了爱因斯坦的狭义相对论，这里我们不关心它。

还有一些更加令人头痛的事情：
光已经如麦克斯韦的电磁理论所说，是一种电磁波，但是，科学家们还发现它具有粒子性。这个问题来自于黑体辐射实验。

2009-6-29 16:29 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
7楼

什么叫做黑体呢？
我们知道，黑色的物体能够吸收各种频率（频率对应颜色）的可见光，所以看起来是黑色的。所谓黑体，就是指能完全吸收各种频段的电磁波辐射的物体。

现实中很难找到理想的黑体（完全吸收各种频率的辐射），于是科学家们用人工的方法制造了一个：

假如有一个密封空箱子，只留有一个极小的孔，那么多又从这个小孔进入箱子里的辐射，绝大部分都将在箱子内四处反射，很难再有机会从小孔出来，那么，这个小孔看起来就是一个接近理想的“黑体”。它会完全吸收进入它的任何频率的光辐射，而不会将任何辐射反射回来。

2009-6-29 16:51 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
8楼

当一个小孔黑体吸收的能量，在其空箱内部处于平衡状态时，我们称之为辐射平衡态。怎样才是平衡呢？
那就是箱子内壁任何一部分面积上吸收的总辐射能量与其辐射出去的总能量相等。此时箱子内部温度处于一个固定值。
我们有了一个参数：
能量密度=|吸收能|（或|辐射能|）/箱子面积

实验发现，当科学家把不同波长的光射入同一个小孔黑体，按照入射光波长不同，获得的对应辐射平衡态时候的能量密度也不同。
即使我们换用其他形状的箱子或者换用其他材质的箱子，同一种波长的光对应的辐射平衡态的能量密度也总一样。

据此我们画出光的波长-能量密度图示：

2009-6-29 17:05 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
9楼

图中小圆圈是实验的实际结果对应的点，粉色线是根据实验测量点画出的近似曲线。
而不少科学家提出自己的理论来解释这条曲线为何是这样的形状。
其中，瑞利 和 金斯 两人根据经典电动力学加上统计物理学得出绿色线的结论，对于低频率（大波长）的光的实验结果吻合得很好。但在高频波段与实验结果完全不符。
而 维恩 由热力学出发，根据自己的一些假设，推导出了紫色线的结果，在高频短波部分对实验的解释非常理想，但在长波部分与实验结果偏离甚远。

2009-6-29 17:13 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
12楼

令科学家非常尴尬的是，唯独那条粉色线是无法由一个统一的理论直接得到的。也就是说，科学家从旧有理论出发，能得到的最好的两个结果就是紫色和绿色线。

2009-6-29 17:16 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
13楼

为了得到和实验结论吻合的结果，1900年，普朗克大虾引入了一个让科学界争论不休的假定：黑体以一份一份的能量的形式辐射或者吸收能量，而每一份能量的大小都和对应辐射的电磁波的频率成正比，比例还是一个常数。
E=hν（E为一份能量的大小，ν是对应电磁波的频率，h就是那个比例常数，被后人称为普朗克常数，用来纪念普朗克的贡献）。

根据这个假设的公式，普朗克得到一个和实验结果符合得非常好的黑体辐射公式（懒得查书了，那个公式挺复杂），其曲线与粉色线吻合。

2009-6-29 17:32 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
14楼

说到这里，我们还要谈谈爱因斯坦，因为是他让这个假设E=hν引起了轩然大（百度）波，因为他解释了这个公式的含义。

爱因斯坦获得诺贝尔奖的原因是他预言了光电效应。光电效应说的是当有光照射在金属表面时，光能可以被导体内被原子核束缚的电子吸收，从而使部分电子成为自由电子形成电流。

而这个过程中，电子能吸收的能量都是一份的能量，刚好就是E=hν！爱因斯坦认为，假如光电效应在实验中成立，就表明同一种频率光携带的能量是一份一份的，而不是一点几份或者零点几份那样的分数份能量。爱因斯坦把光按照固定的一份能量来携带光能的这种性质解释为光具有粒子性，也就是说，从能量角度来说，虽然光没有粒子的特定体积和碰撞性质，但是，光仍然有按照能量的份数一份一份分立存在的特点。这就是爱因斯坦提出的光量子的概念，光量子也简称光子。

显然，光的这个特点被后来的光电效应实验证实了（否则爱因斯坦可能得不到诺贝尔奖，就像某些NBA球员得不到总冠军戒指一样）。而这个光电效应理论，直接证明，光在携带能量时具有明显的粒子性！

于是，科学界本来已经有了定论的光是波不是粒子的问题，重新大起波澜，光粒子说的拥护者死灰复燃。

2009-6-29 17:45 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
15楼

`

2009-6-29 17:50 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
16楼

康普顿效应是另一个引起轩然大（百度）波的原因。
高频X射线被轻核元素中的电子散射时，光波波长越大，对应散射角越大。而按照光的波动理论，是无法解释的，波动理论的结论是，不同波长的光斗应该以相同散射角被散射。
而我们把这个现象看成是光粒子与电子碰撞来解释的话，一切问题迎刃而解。虽然这种碰撞不是真正的粒子碰撞，因为光的体积无法测定，但是，它仍然是一种符合碰撞定律中碰撞角度规律的现象。
爱因斯坦的光量子解释刚好可以完美地定量揭示散射角的规律。

科学家不禁重新开始疑惑：光到底是波还是粒子？

2009-6-29 17:58 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
17楼

康普顿和吴有训利用实验证实了爱因斯坦的散射角公式（具体公式我已经记不得了），这个散射现象以康普顿的名字命名。
实验的支持，使得科学家不得不承认：光既是粒子又是波。

这个新观点彻底颠覆了经典的粒子理论。而原本以为就有物理学已经接近完美的科学家们大失所望甚至开始走向绝望，越来越多的新的实验发现证明，旧有的那些经典理论问题非常多，而且很多问题都是颠覆性的。

比如我们下面要介绍到的：电子绕原子核运动的轨道问题。

2009-6-29 18:09 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
18楼

先来说说电子轨道问题的传统解释。

汤姆逊发现电子，卢瑟福发现原子核是一个极小物体之后，经典运动学和电磁学理论对于电子围绕原子核的运动，有过许多不同的观点最具有代表性的是：
电子像行星那样周期性绕核运转，也就是行星模型，电子具有类似行星轨道那样的固定椭圆轨道，不同动能的电子处于不同轨道半径位置，一个电子能量增加时，其轨道是渐变扩张曲线。

2009-6-29 18:21 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
19楼

但这个理论却因为光量子理论被实验证实而受到前所未有的质疑。

原因很简单：由于电子只能吸收一份一份的能量，而吸收能量就意味着动能立即增加，根本不存在所谓的能量渐变增加的过程，也就是说，根据光电效应和康普顿效应试验的结论，电子是立即从较低的能量状态跳变到较高的能量状态的。
也就是说，电子加速运动（动能增加）是个不连续的过程。在吸收光子能量一瞬间，电子立即跳到高能的外层轨道。

玻尔 修正了行星轨道模型，提出：电子在原子核周围的加速运动是跳变的。电子绕核转动的能量，动量，角动量都是跳变的。且都是和普朗克常数h的整数倍成正比。

这个新的观点，实际上已经无形之中暗含了其他一系列的假设，其中最为重要的就是：电子的运动状态的所有相关参量都是“量子化”的，关于量子化，我们还要再稍后才详细介绍。

2009-6-29 18:30 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
20楼

玻尔从自己的假设出发，根据经典力学推出了氢原子光谱中的巴耳末公式，这个公式最早是巴耳末通过实验研究氢原子光谱时，根据实验结果总结出的一条经验公式。

而玻尔能够推出这一公式，说明他的理论在解释实验结论上已经具有了非凡的价值。尽管波尔理论不能解释原子光谱谱线强度问题，而且对于解释大核原子的光谱时，不能符合实验结论，但在当时来讲已经是革命性的贡献，因为它给了科学家们一把通向原子物理之门的金钥匙。

关于原子光谱，我们要在后文介绍，大家不必着急。

现在我们来介绍另一位中了大奖的物理学家---德布罗意。

2009-6-29 18:38 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
21楼

德布罗意同学突发奇想的一篇论文，曾被嘲笑为“混学位”而为之，论文之简短，论述之简略，内容在当时来看又是无比荒唐可笑，但却成为物理学史上划时代的一笔。

他的论文中，破天荒地认为任何物质粒子也都具有波动性，并且弄出一个公式来描述一个具有动量的粒子的波动性：
p=h/λ
p是物体的动量，h是普朗克常数，λ为物质波的波长。原则上来说，这个公式应该是矢量形式，鉴于网页书写和阅读困难，我们写成标量形式。

这个公式给出一条重要信息：一切物质都是波粒二象性的。
一个微观粒子，可以被描述成为一个具有波长λ=h/p的波。

这个观点的提出，起初看来就是把光子的波粒二象性无厘头地随便扩展到了所有物质粒子（因此被人认为是德布罗意单纯为了混一个学位写的蒙事论文），但是，这对于后来量子力学中可以使用波函数描述物体，以至于形成整个量子力学的数学构架来说，却是一个最最基本的假设，没有这个假设，量子力学的一切数学分析方法都是没有根基的。

2009-6-29 18:53 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
22楼

德布罗意的物质波假设，首先肯定了物质可以基于波粒二象性的物理意义，在数学上被作为波动来分析。

这个观点后来被戴维森 和 革末两位的电子衍射实验所证实。单个电子束射向一镍晶体后，通过法拉第圆筒收集被散射回来的电子后，被散射的电子束强度（电流强度）可以通过连在法拉第圆筒上的电流表读出，当电子束的散射角处于某些特定取值时，电流强度最大。根据X射线（一种高频电磁波--X光）的散射公式，计算得到电子的“波长”居然和德布罗意公式的计算结果不谋而合！！

此后，电子双窄缝衍射试验进一步让人们在直观上看到了电子具有类似光和声波那样的衍射性质，从而进一步确认了电子是一种物质波。关于这个实验，本吧或者相对论吧有相关的视频，大家可以亲自看看电子是怎样形成衍射条纹的。

2009-6-29 19:04 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
23楼

为什么平常条件下无法观测到物质的波动性呢？
原因非常简单：
根据德布罗意的公式：
λ=h/p，通过其他电磁学公式计算出电子的动量p后代入，会得到极其微小的λ，这个λ甚至小于原子间距，而衍射必须在波被一个大小接近于或小于波长的物体阻挡时候才发生。
要想让这样短波长的“波”发生衍射，需要的窄缝必须窄得小于原子间距！！

这就是通常情况的实验无法观测到电子波的波动性的原因！！

后来，科学家对其他粒子（中子和质子等）也进行了类似的实验，同样观测到了衍射现象。

自此，物质具有波粒二象性的事实终于为普遍接受。

2009-6-29 19:12 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
24楼

改天继续。

2009-6-29 19:13 回复

超级无敌的很
10位粉丝
25楼

按课本来讲的呀..

2009-6-29 19:16 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
26楼

课本貌似没说这么清楚吧。。。

2009-6-29 19:18 回复

短命郭嘉
9位粉丝
27楼

图呢？

2009-6-29 19:19 回复

短命郭嘉
9位粉丝
28楼

额……有图。。。。老眼昏花了

2009-6-29 19:20 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
29楼

反正我看过的课本都没介绍玻尔的行星轨道模型和传统行星轨道模型的根本区别在哪里。
课本也没介绍物质波假设为什么对于量子力学那么重要。

2009-6-29 19:21 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
30楼

额。。。图少了点。。

2009-6-29 19:22 回复

吃碰杠听胡
96位粉丝
31楼

这帖子精品加得太早。。。。容易烂尾

2009-6-29 19:26 回复

cloudk
135位粉丝
32楼

我觉得18L的卢瑟福原子核式结构的问题应该是它这个理论本身就存在缺陷~~根据Maxwell的电磁理论，电子绕原子核按照经典物理里面描述的那种方式运动的话，就会向外辐射电磁波导致其轨道半径降低，最后致使电子落到原子核上，这个理论使得原子不是稳定的，而实际上原子时稳定；这是卢瑟福原子核式结构的根本问题所在~~~不过Bohr后来的理解确实是从光谱分析上猜想出来的~~

2009-6-29 19:32 回复
117.41.146.* 33楼

谁能给说说有哪些可测的物理量是共轭的？共轭是什么意思？

请您先登陆，再发跟帖！