量子并不神秘,爱因斯坦的光电效应告诉我们:量子其实随处可见

对于刚刚接触量子力学的读者来说,往往都会遇到这样一个问题:量子究竟是什么?

由于量子与电子、中子的文字表达很相似,所以我们通常也会把量子理解成一种构成物质的微观粒子,中子与质子构成了原子核,电子与原子核构成了原子,那么什么物质是由量子构成的呢?

量子不是实体粒子

将量子理解成是一种微观实体粒子,这是一种常识性的错误,在上一篇文章中已经讲到了,量子并不是一种实体粒子,而是物理学家人为定义的一种物理概念,即量子化物理量的最小单位,(感兴趣的读者可以去看我的上一篇文章),在1900年,著名德国物理学家普朗克

在研究黑体辐射问题的时候,首次提出了量子的概念,从此开启了量子力学的先河,准确来

说:量子最早的名字是能量子,也就是说量子最早是代表能量的最小单位,那么能量的最小单位:能量子究竟是多大呢?

根据普朗克的量子化理论,能量的最小单位:能量子E=hv,h是普朗克常数,v是频率,也就是说能量的传递是由一段、一段的、能量等于E=hv的能量子构成的,普朗克常数是物理学中一个十分重要的物理常数,用来描述量子的大小,类似于数学当中π的概念,但由于普朗克常数实在是太小了,h=6.62607015×10^(-34) J·s,所以能量子也非常小,小到在宏观世界几乎无法察觉,所以量子化的概念仅仅是应用于数学计算或者解释一些特殊的微观现象(氢原子光谱、光电效应),在绝大多数的物理实验中,实验人员并不会将能量传递是量子化的行为视为影响实验的因素,最简单的例子就是假如要烧一壶水,没有人会计算量子化的能量传递对于烧水产生什么影响(www.fasang.cn)。

爱因斯坦的光电效应

讲了关于量子及量子化的理论之后,下面我们讲一个物理现象来帮助大家更好的理解量子及量子化的概念,这个物理现象名为光电效应,著名的物理学家爱因斯坦就是因为使用量子理论成功解释了光电效应而获得的诺贝尔奖。

光电效应,简单来说就是:在光的照射下,金属表面会有电子逃逸出来,从金属表面逃逸出来的电子来自于金属原子中的核外电子,这本身并没有什么奇怪的,爱因斯坦获得诺贝尔奖也并非是因为爱因斯坦发现了光电效应,而是因为爱因斯坦使用量子化的理论成功的解释了在光电效应中一个困扰了物理学家几十年的难题:电子能否从金属中逃逸,与光的强度无关,反而与光的频率有关。

电子能否从金属中逃逸,与光的强度无关,反而与光的频率有关。也就是说,如果我们使用低频率的光,不论我们将其强度增加到多高,都无法从金属中打出一个电子,反而如果我们使用高频率的光,即使高频率的光强度很低,也可以从金属中打出电子,这是物理学家通过实验总结出来的规律,但这个规律是经典物理学无法解释的。

如果根据经典物理学去推断:光的强度越大,光的能量也就越大,当光的能量超越原子核束缚电子的能量时,那么电子就会从金属中逃逸出来,光的强度越大,光的能量就越强,打出的电子也应该就越多,但在实验中,如果我们选择的是低频率光,例如红外线,不论我们怎样加大光的强度,也无法从金属中打出一个电子,也就意味着经典物理学在解释某些微观现象时并不完全适用。

爱因斯坦成功的解释了光电效应是因为爱因斯坦摆脱了经典物理学的束缚,大胆的在其中加入了在当时并不受到欢迎的量子理论,爱因斯坦参考了普朗克提出的能量最小单位:能量子的概念,认为光的传播也是量子化的,即光的传播也是一段、一段的、存在最小单位的,既然能量的最小单位被命名为能量子,那么光的最小单位就是光量子,能量子E=hv,同理,光量子的能量E=hv=普朗克常数×光的频率,根据爱因斯坦光量子的概念,我们可以得出以下结论:

1、光的能量与光的强度无关,光的强度代表着光量子数量的多少。

2、光的能量与光的频率有关,光的频率越大,光的能量也就越大。

所以说:只要光的频率无法达到激发电子的标准,不论我们怎样加大光的强度,也无法将电子从金属中打出来,因为加大光的强度本质上只是增加光量子的数量,想要从金属中打出电子,正确的做法是增加光的能量,能量=hv,即增加光的频率。

爱因斯坦的遗憾

爱因斯坦的光量子理论可以完美的解释光电效应的难题,为爱因斯坦赢得了诺贝尔物理学奖,但理性来说,光电效应在爱因斯坦一生的学术研究之中仅仅可以算是二流成果,爱因斯坦一生最辉煌的理论:相对论却没有获得诺贝尔奖,这是当时多方面因素影响所致,这也是诺尔贝奖的遗憾之一。

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