高考考试网
当前位置: 首页 高考资讯

光量子假说如何解释光电效应(赫兹的意外发现)

时间:2023-07-30 作者: 小编 阅读量: 3 栏目名: 高考资讯

赫兹与光电效应的意外相遇,着得从麦克斯韦方程组与电磁波说起。麦克斯韦方程组然而,麦克斯韦只是从理论上完美的证明了电磁波的存在,并没有真的证实电磁波存在。证实电磁波的存在并不是别人,正是赫兹。非常不幸,赫兹也没有足够的机会对其进行研究。天妒英才,赫兹年仅36岁时便去世了。量子论对于光电效应的成功解释为量子力学的发展注入了强大的力量,更是对量子论的进一步发展,是量子论建立过程中的里程碑事件。

量子力学从诞生至今也不过区区一百多年,但是却像一头洪荒猛兽,一举打破了整个经典物理的认知,成为人类历史上最伟大的物理理论,人类的科学也因量子力学的发展大幅度进步。如果我们回顾历史,量子力学这个幽灵正是从光电效应现象被发现而随之被释放出来的,可以说光电效应的发现一脚踹开了量子力学的大门,而之后爱因斯坦利用量子论对光电效应进行了成功解释,则打开了人们对于量子论的崭新认识,光电效应的发现到被解释,也体现着量子论的发展,并对量子论的发展意义重大。

爱因斯坦

光电效应究竟是什么?

通俗来讲,光电效应是指光束照在金属表面时,会使其发射出电子。这个现象非常奇特,本来电子被金属表面的原子束缚的老老实实,奇怪的是,一旦被一定光线照射时,这些电子就开始不安分起来,想要脱离原子的束缚,四处逃窜。由于这种现象的主角是光与电子这“两位大佬”,因此大家就把它称之为光电效应。

光电效应(红色线条为光线,黑色圆形为电子,长方形为金属)

更有趣的是,这个光电效应还比较顽皮,它并不是说只要有光照射在金属表面上,就一定能够打出电子来,要想实现它,还要对照射光提要求。

人们发现,对于同条件下的同种金属,光能不能从金属表面打出电子来,取决于光的频率(可见光中,从紫到蓝到绿到黄到红,频率逐渐降低,紫光频率最高,红光频率最低)。更神奇的是,频率较高的光能够打出能量较高的电子来,但是频率较低的光则完全打不出电子来。

于是有人想,那如果用很强的低频率光(红)去打,或者用很弱的高频率光(紫)去打呢?结果发现电子这位爷只认频率不认强度。哪怕是再强的低频率光也打不出半个电子来,再弱的高频率光也能打出电子来,不过在高频率光的情况下,改变光的强度可以改变打出电子的数量。

小结:当一定光照射在金属表面,金属表面能够发射电子,此即光电效应。光是否能够在同种金属表面打出电子来,取决于光的频率而非强度。

赫兹意外撞上光电效应

海因里希-赫兹是德国的一名天才物理学家,他的老师是大名鼎鼎的基尔霍夫和亥姆霍兹。赫兹对于电磁学领域贡献极大,因此频率的单位赫兹(hz)就是以他的名字命名的。赫兹与光电效应的意外相遇,着得从麦克斯韦方程组与电磁波说起。

赫兹

伟大的麦克斯韦在19世纪将电场高斯定律、磁场高斯定律,法拉第电磁感应定律,麦克斯韦-安培定律(全电流定律)四个方程总结成麦克斯韦在组,阐述了变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,并且从理论上预言了电磁波的存在,前无古人般的将电与磁统一起来。

麦克斯韦方程组

然而,麦克斯韦只是从理论上完美的证明了电磁波的存在,并没有真的证实电磁波存在。接下来就轮到本文的主角之一赫兹先生登场了。证实电磁波的存在并不是别人,正是赫兹。赫兹在他的实验室证实了电磁波的存在,为电磁学大厦完成了封顶,但是正是在证明电磁波存在的实验当中,赫兹一不小心打开了量子力学的大门,发现了光电效应的存在。

在赫兹证明电磁波存在的实验当中,赫兹发现当有光照在金属接收器上时,电火花出现的容易一些,这个现象则是最初版本的光电效应。不过这个现象并没有引起赫兹足够的重视,他在论文里有提到,但是他并没有去仔细研究。非常不幸,赫兹也没有足够的机会对其进行研究。天妒英才,赫兹年仅36岁时便去世了。而赫兹并不知道,他这个发现,实际上踹开了量子力学的大门。人们时常畅想,如果上天能让赫兹活得更久一点,说不定量子力学的发展进程能够提前一些。

爱因斯坦对于光电效应的天才解释

年轻的爱因斯坦

谈及爱因斯坦,人们听的最多的可能是狭义相对论与广义相对论,但是对于光电效应的解释其实也是爱因斯坦的经典之作,更是让爱因斯坦因此获得了诺贝尔物理学奖。

前面提到过,在光电效应中,电子这位大爷只认光的频率,不认光的强度。在当时的认知中,光是一种波,波的强度即代表了能量。按理说,由于电子是被原子束缚在轨道上,强度越高,能量越高,就应该越容易将电子打出来。但是实际上如果光的频率低,哪怕再强的强度,也无法打出电子来,也就说,光的频率决定了能否打出电子来,而光的强度决定的是打出电子的数目。这让当时的科学家们非常困扰,百思不得其解,直到天才爱因斯坦横空出世。

爱因斯坦解决这个问题的思路与其他人有些不一样,他借用了普朗克先生的量子假说(普朗克假设,黑体在吸收或者发射能量的时候,并非连续的,而是分成一份一份的能量,这一份能量的大小等于普朗克常数乘以频率,并将这一份能量称之为量子)。

光电效应,频率越高,越容易打出电子;单个量子的能量等于普朗克常数h乘以频率v,频率越高,单个量子能量越高。

电光火石之间,爱因斯坦忽然看见了什么。提高频率,单个量子能量越高。那么,如果光不是连续分布的,而是一种量子呢?一切问题刹那间迎刃而解,提高频率,单个光量子能量越高,就越容易打出电子,单个光量子的能量大于金属原子对电子的束缚能,就能够打出电子。这正好解释了为什么频率决定了能否打出电子。而提高光的强度,则对应着提高光量子的数量,光量子越多,打出来的电子越多,强度决定了打出电子的数量。好了,先生们,现在光电效应被完美解释。

爱因斯坦总结的光电效应方程

而后爱因斯坦根据这个思路写出一个方程,等号左边是被打出来的电子具有的动能,等号右边是单个光量子的能量减去打出电子所需要的最小能量。

光电效应成功解释对于量子力学的意义

索尔维会议合照

我们需要注意到,虽然爱因斯坦成功解释了光电效应,但是这有一个前提,这个前提是:普朗克的量子假说。爱因斯坦在这里对于光进行了量子化处理,认为光是一种光量子。在当时,光被认为是波,波是连续的,而量子是一份一份的,不连续的。爱因斯坦此举无疑是挑战原有的经典物理体系,是天才的想法,更是看起来离经叛道的想法。

其实在普朗克提出量子假说后,普朗克本人都不太相信,量子到底是个什么东西,到底存在吗,普朗克本人不确定。而爱因斯坦运用量子论解释了光电效应,这是开创性的工作。毫无疑问,爱因斯坦使用量子论观点,成功解释了光电效应,这无疑是对量子力学正确性的一种巨大肯定。

量子论对于光电效应的成功解释为量子力学的发展注入了强大的力量,更是对量子论的进一步发展,是量子论建立过程中的里程碑事件。这让人们正式把量子论拿到台面上来疯狂讨论,在此之后,量子论进入了一个高速发展的时期,薛定谔,德布罗意,海森堡,波恩们你方唱罢我方登场,开启了量子力学黄金时代。

参考文献:

【1】曹天元. 上帝掷骰子吗:量子物理史话[M].2006.

【2】Feynman. The Feynman Lectures on Physics[M].2000.

【3】周世勋. 量子力学教程第二版[M].2008.

【4】曾谨言. 量子力学[M].1990.

    推荐阅读
  • 火车兑换车次什么意思(“铁路畅行”常旅客会员服务是什么)

    自2017年12月20日起,铁路部门推出“铁路畅行”常旅客会员服务。旅客申请成为“铁路畅行”会员后,在购买火车票时,可获得车票价格5倍积分。申请资格:根据铁路部门相关规定,年满12周岁的自然人即可申请“铁路畅行”常旅客会员。目前可用于申请的有效证件包括:中华人民共和国居民身份证、港澳居民来往内地通行证、台湾居民来往大陆通行证、外国居民为按规定可使用的护照。

  • 羊不吃不喝不倒嚼咋办(羊不吃不喝不倒嚼咋办发烧)

    羊出现不吃不喝不倒嚼的情况,需要及时的用羊病克进行治疗,使用方法是用水稀释之后灌服。不同生长阶段的羊服用量也是不同的,如果是大羊的每次服用30-50克,小羊10-20克,中等羊20-30克,或者是采用反刍康粉10-20克灌服,每天灌服2次,坚持用药3天就能见到效果。

  • 姐妹旅游开心的句子(关于姐妹一起玩的句子)

    我们一起去了解并探讨一下这个问题吧!姐妹旅游开心的句子最好的闺蜜感情就是一起吃喝玩乐,游走天下。跟最好的姐妹在一起玩,和最心爱的人在一起是最幸福的事情。我们一天到晚混在一起~有姐妹在好像真的比较不会想其他人。今晚就我们三个女人一间房K歌,和两姐妹在一起玩得也很嗨,开心,下次继续!半世父母恩,一世兄妹情!越长大越来越能体会到姐妹之间的感情,一起旅游一起闹。

  • 燕窝怎么做最好吃营养(燕窝怎么吃最营养)

    燕窝怎么做最好吃营养?将浸透及清洗后的燕窝沥干放炖盅内加入适量凉水盖好,再将整个炖盅放入锅内,注入热开水,水位至炖盅的一半高度,然后用慢火炖。火力的控制在家中炖燕窝,可选择隔水文火慢炖的方法,而具体炖制时间跟浸泡时间亦有关系,如泡得久,可相应减少炖的时间。

  • 我要在一分钟之内拿到五千万(月光的你如何快速存下10万)

    我是小萌姐姐,自由撰稿人。其实这是一种错误的金钱观。每个月发了工资,第一时间把要存的钱打到另一张卡里,这张卡不要绑定微信和支付宝,也不要开通任何电子银行,再把剩下的钱用于支出。跑赢了月光时期的自己,就是最大的进步。下面是自我介绍时间:我是小萌,自由撰稿人一枚,通过写作过上了自己喜欢的生活。

  • 钉钉群里发的钉盘怎样查别人有没有看(操作步骤怎样)

    跟着小编一起来看一看吧!钉钉群里发的钉盘怎样查别人有没有看进入钉钉,点击工作。进入后,下拉选择其他应用,钉盘。点击内部群文件,选择需要查看的文件。或直接在消息界面点击钉盘,进入。也可以点击智能工作助理,点击对话框的+号,向左滑动选择钉盘。

  • 贵阳紧急寻人信息(黔西南紧急寻人)

    贵阳紧急寻人信息紧急寻人根据疫情防控工作需要,黔西南州疾病预防控制中心现向广大市民发出紧急寻人:2022年10月2日至10月7日在汕昆高速鲁屯停车区的人员,立即向所在单位、乡镇(街道)、村(社区)报备,并说明详细的时间及停留时间,立即实行闭环管理,做好个人防护,落实一次核酸检测,并配合做好健康监测等防控措施。对瞒报、谎报造成疫情扩散等严重后果的,将依法追究责任。

  • 试用期员工被辞退需要赔偿(试用期员工被辞退需要赔偿么)

    个体工商户、个人独资企业和合伙企业向其从业人员实际支付的合理的工资、薪金支出,允许在税前据实扣除。个体工商户、个人独资企业和合伙企业拨缴的工会经费、发生的职工福利费、职工教育经费支出分别在工资薪金总额2%、14%、2.5%的标准内据实扣除。个体工商户、个人独资企业和合伙企业每一纳税年度发生的与其生产经营业务直接相关的业务招待费支出,按照发生额的60%扣除,但最高不得超过当年销售(营业)收入的5‰。

  • 生活饮用水卫生标准浊度要求(新版生活饮用水卫生标准)

    新版生活饮用水卫生标准时隔13年,《生活饮用水卫生标准》进行了调整2022年3月15日,国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会联合发布中华人民共和国国家标准公告(2022年第3号)“关于批准发布《生活饮用水卫生标准等5。

  • 最新版宝马mini(疑似宝马MINI新款SUV谍照曝光)

    通过这个可以判定出,未来MINI推出大型SUV的可能性也是有的,虽然作为宝马旗下的品牌,但是独立出来经营,得到宝马的技术支持,也是可以闯出一片天地的。在尾部地方,配备了小尺寸的扰流板和纵向布局的尾灯,下方再搭配隐藏式的排气,可见这款车型更像是MINI进军大型SUV的过渡版本了。至于内饰的话,虽然没有相关信息曝光,但是可以预测可能与老款设计保持一致,采用宝马的新款风格不大可能。