量子力学,普朗克的能量团到底是什么?爱因斯坦如何解释这一切?


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量子力学,普朗克的能量团到底是什么?爱因斯坦如何解释这一切?


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【量子力学,普朗克的能量团到底是什么?爱因斯坦如何解释这一切?】

量子力学中 , 普朗克引入能量团概念 , 为大家清晰地解释了电烤炉的无限能量问题 。 但是 , 他的能量团概念只是自己的猜测 , 没有丝毫的科学依据!事实上 , 无论是他自己 , 还是别的科学家 , 都不能找到一个信服的理由说明能量团概念的存在 。


物理学家伽莫夫曾说:科学似乎喜欢喝酒 , 要么一口气喝一瓶 , 要么滴酒不沾;绝不会点滴流淌到天明!1905年 , 物理学界正为普朗克的猜测寻找新的证据时 , 爱因斯坦找到了解释 , 并因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖 。
爱因斯坦表示:他的发现源于对“光电效应”的思考 。 1887年 , 德国物理学家赫兹发现:当电磁辐射(光)照射到某些金属时 , 金属会发出电子 。 众所周知:金属能成为良好的导电体 , 是因为内部的电子只是松散地被束缚在原子中 。

当电磁辐射(光)照射在金属时 , 电磁辐射的能量激发金属里的电子 , 导致一些电子脱离束缚 , 产生导电现象 。 小编认为:这就像在阳光下我们会觉得皮肤暖洋洋的一样 。
不过 , 当科学家研究光电效应时 , 却发现了一些奇怪的现象 。 大家很可能认为:随着光强(亮度)增加 , 电子射出的速度就会增加(这是因为入射电磁辐射的能量增加了) 。 但事实并非如此!虽然射出的电子的数目增加 , 但速度并未改变 。

科学家还在实验中发现:随着电磁辐射的频率增大 , 电子射出的速度也会增大;电磁辐射的频率减小 , 电子射出的速度也会减小 。 (电磁辐射的频率有小增大 , 对应的是:光从红、橙、黄、绿、蓝、青 , 紫的转变)
但 , 如果电磁辐射的频率减小 , 甚至会出现电子射出的速度为0的时候 。 这时 , 不论光源的亮度多强 , 电子都只能停留在金属表面 。 因此 , 科学家认为:这是某种未知的原因 , 由入射光的颜色决定射出电子的速度与能量 。

那么爱因斯坦是如何解释这一问题的呢?他建议用普朗克的波动能量包来重新描绘光的图景 。 在爱因斯坦看来:一束光可以被认为是一股光粒子流!(后来刘易斯为光的微粒起了一个好听的名字——光子)
小编用灯泡为大家举例 。 根据光的粒子推算 , 一只100瓦的灯泡每秒会发出1万亿亿个光子 , 也就是说 , 这盏灯泡每秒的光粒子流是1万亿亿个光子!爱因斯坦利用这一概念 , 提出了光电效应背后的微观机制 。

爱因斯坦用这个新概念提出了光电效应背后的微观机制 。 他表示:当电子被足够能量的光子击中 , 就会从金属表面逃逸!
那么 , 我们不禁要问:光子的能量是受什么决定的呢?跟着普朗克的思路 , 爱因斯坦认为:光子的能量正比于光波的频率(比例因数就是普朗克常量) 。
光子只有具备相当数量的能量 , 才可以将电子从金属表面释放;不过 , 一个电子几乎不可能被几个光子同时击中(因为多数电子根本无法触碰到光子) 。 事实上 , 如果入射光的频率较低 , 光子就没有足够能量释放电子 。 因此 , 低频光束不论亮度多高 , 都不能释放任何电子 。

因此 , 只要照射在金属表面的光子具备足够的能量元 , 就可以释放电子 。 当然 , 相同频率的光束 , 也可以通过增加光子数来增大总的强度 。
例如:光子的数量越多 , 逃逸的电子数量越多 。 不过 , 金属表面逃逸的电子能量取决于击中它的光子的能量!这束能量由光束的频率(不是总强度)决定 。
不论光源的强度大小 , 任何一个逃逸电子都携带相同的能量、具有相同速度 。 光源即便具有更强大的能量 , 也不过是多释放一些电子 。 如果想要增加电子的速度 , 只要提升光源的频率(增加光子具有的能量元)才可以 。
现在的科学实验证明:爱因斯坦的猜测与实验结果完全相同 。 光的频率决定电子的速度;光的强度决定电子的数量 。 因此 , 爱因斯坦证明了普朗克的能量团猜想 , 就是反映了电磁波的特性:

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