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爱因斯坦的光量子理论

文章来源:本站原创 作者:zylphy 发布时间:2007年05月08日 点击数: [添加收藏]

普朗克的量子假说提出后的几年内,并未引起人们的兴趣,爱因斯坦却看到了它的重要性。他赞成能量子假说,并从中得到了重要启示:在现有的物理理论中,物体是由一个一个原子组成的,是不连续的,而光(电磁波)却是连续的。  
    在原子的不连续性和光波的连续性之间有深刻的矛盾。为了解释光电效应, 1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出了光量子假说。

爱因斯坦大胆假设:光和原子电子一样也具有粒子性,光就是以光速C运动着的粒子流,他把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样,每个光量子的能量也是Ehν,根据相对论的质能关系式,每个光子的动量为pE/ch/λ

列别捷夫(П.Н.Лебедев l8661911)的光压实验证实了光的动量和能量的关系式。

  根据光量子假说,爱因斯坦顺利地推出普朗克公式,并且还提出了一个光电效应公式。

光量子假说成功地解释了光电效应。当紫外线这一类的波长较短的光线照射金属表面时,金属中便有电子逸出,这种现象被称为光电效应。它是由赫兹(H.R.Hertz l8571894)和勒纳德(P.Lenard l8621947)发现的。光电效应的实验表明:微弱的紫光能从金属表面打出电子,而很强的红光却不能打出电子,就是说光电效应的产生只取决于光的频率而与光的强度无关。这个现象用光的波动说是解释不了的。因为光的波动说认为光是一种波,它的能量是连续的,和光波的振幅即强度有关,而和光的频率即颜色无关,如果微弱的紫光能从金属表面打出电子来,则很强的红光应更能打出电子来,而事实却与此相反。利用光量子假说可以圆满地解释光电效应。按照光量子假说,光是由光量子组成的,光的能量是不连续的,每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功,从金属表面打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少,但是每个光量子的能量却足够大,所以能从金属表面打出电子来;很强的红光,光量子的数目虽然很多,但每个光量子的能量不够大,不足以克服电子的逸出动,所以不能打出电子来。

赫兹以自己的实验证实了电磁波的存在,宣告光的波动说的全胜,判处了光的微粒说的死刑,可是又是他发现的光电效应导致了微粒说的复活。

  从当时的观点看来光量子假说同光的干涉事实矛盾,许多物理学家不赞成光量子假说,就连普朗克也抱怨说“太过分了”, 1907年他在写给爱因斯坦的信中说:“我为作用基光量子(光量子)所寻找的不是它

在真空中的意义,而是它在吸收和发射地方的意义,并且我认为,真空中的过程已由麦克斯韦方程作了精确的描述”。直到1913年他还拒绝光量子假说。

美国物理学家米立肯(R.A.Millikan l8681953)在电子和光电效应的研究方面做出了杰出的贡献。他曾花费十年时间去做光电效应实验。最初他不相信光量子理论,企图以实验来否定它,但实验的结果却同他最初的愿望相反。1915年他宣告,他的实验证实了爱因斯坦光电效应公式。他根据光量子理论给出了h值的测定,与普朗克辐射公式给出的h值符合得很好。19221923年间,康普敦(A.H.Compton l8921962)研究了X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱。根据古典电磁波理论,入射波长应与散射波长相等,而康普敦的实验却发现,除有波长不变的散射外,还有大于入射波长的散射存在,这种改变波长的散射称为康普敦效应。光的波动说无论如何也不能解释这种效应,而光量子假说却能成功地解释它。按照光量子理论,入射X射线是光子束,光子同散射体中的自由电子碰撞时,将把自己的一部分能量给了电子,由于散射后的光子能量减少了,从而使光子的频率减小,波长变大。因此,康普敦效应的发现,有力地证实了光量子假说。

  爱因斯坦的光量子假说发展了普朗克所开创的量子理论。在普朗克的理论中,还是坚持电磁波在本质上是连续的,只是假定当它们与器壁振子发生能量交换时电磁能量才显示出量子性。爱因斯坦对旧理论不是采取改良的态度,而是要求弄清事物的本质彻底解决问题,他看出量子不是一个成功的数学公式,而是揭露光的本质的手段。他克服了普朗克量子假说的不彻底性,把量子性从辐射的机制引伸到光的本身上,认为光本身也是不连续的,光不仅在吸收和发射时是量子化的,而且光的传播本身也是量子化的。爱因斯坦的光量子假说恢复了光的粒子性,使人们终于认清了光的波粒双重性格,而且在它的启发下,发现了德布罗意物质波,使人们认清了微观世界的波粒二象性,为后来量子力学的建立奠定了基础。

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