1887年这个现象被发现以来,一直都得不到合理的解释。
再回到普朗克提出的“量子”概念(1900年),当时主流科学界对此并不认可,因为经典的物理学,电磁理论已经解释了太多现象,在太多的领域都得到了证明。科学家们更倾向于努力把普朗克的公式融会到现有的理论体系中。当然这是对于那些老有所成的前辈来说,初出茅庐你的后生可不管那一套。
这个后生就是爱因斯坦。他在1905年,把“量子”的概念拿去往光电效应身上一套,发现简直就是是量身定做的一般!
日期:2013-03-17 16:04:43
八、爱因斯坦对光电效应的解释。
我们来看看把“量子”应用到光电效应后的情况:
现在,我们不能把光看成是电磁波了,应该把它看成是一个一个的小颗粒。这个小颗粒取个名叫做“光子”。比如电灯发的光,我们就不能把它看成是连续的,而是随机超四面八方乱射的子丨弹丨,这个子丨弹丨就是光子。我们想象让电灯暗到一定程度,比如每次只能发出一颗子丨弹丨,就是每次只放出一个光子。情况将会这样:你家的墙壁随机的这里亮一下,那里亮一下。而不会是熟知的这样:光线越来越暗,但整间房子保持一样的亮度。
每颗光子子丨弹丨所包含的能量是(普朗克常数*光的频率)--把光当成子丨弹丨,但是还得用到它的频率,真是一件很矛盾的事情,但是我们姑且把这个频率当做光子的一个属性对待好了。
现在我们考虑这些光子子丨弹丨射到物质上发生光电效应的情况:
我们假设电子被束缚在原子中,而电子要挣脱这个束缚飞出来所消耗的能量是一个固定值A。那么他吸收一颗光子子丨弹丨,如果这颗子丨弹丨包含的能量比这个固定值A小的话,显然电子飞不出来,于是就会把这颗光子子丨弹丨的能量转化为热能而消耗掉。
如果这颗子丨弹丨包含的能量>固定值A,那么电子就会吸收这个子丨弹丨的能量而挣脱束缚飞出来,飞出来时电子的动能自然就是(光子子丨弹丨包含的能量-固定值A)。
现在我们用这个模型来解释下光电效应的特点:
1,(电子的动能=光子子丨弹丨的能量-固定值A),而(光子子丨弹丨的能量=普朗克常数*频率)。自然也就有(电子的动能=普朗克常数*频率-固定值A)了。也就是上述第一条的电子动能与频率成正比。
2,光子子丨弹丨不够,那么不管子丨弹丨再多(电灯有多亮),都只能转化为物质的热能,而不会让电子挣脱束缚飞出来
3,这一条特点中指的当然就是固定值A了
4,吸收一颗子丨弹丨用的时间当然是很短的,也不会和往物质上开枪的持续时间有关。
于是,光电效应完美的,严丝合缝地被解释清楚了!
确实很完美,但我们别被胜利冲昏头脑。还记得那个戏剧性的“泊松亮斑”吗?那可是千真万确的表明光是连续不断的波的啊,这里怎么又成了一颗颗孤立的光子子丨弹丨了!这,这,这算个毛的回事啊!
日期:2013-03-17 16:26:25
九、感到不对劲了吗?究竟哪里不对劲呢?
我们回忆一下牛顿定律,为什么接触它的时候给人以茅塞顿开的感觉,而丝毫不会排斥它。
现在的普朗克公式和爱因斯坦对光电效应的解释,为什么让我们觉得玄玄乎乎,总有哪里不对劲?
为什么同样是物理规律却给人造成如此不一样的感觉?
日期:2013-03-17 17:43:47
十、现在!马上!立即!丢掉对科学的神秘感,对科学家的神秘感。
仔细想想不难发现,牛顿定律的F=ma。之所以让我们接受起来如此的舒服,如此的心甘情愿,是因为力,质量,加速度这些都是我们熟知的事情,在我们身边本来就一直存在。我们自己就可以使劲,自然对“力”这个概念不陌生。质量当然也是如此,因为虽然它和重量不是一个概念,但是重量这个概念却可以很好地帮助我们理解它。加速度,虽然是牛顿新提出的,但我们对速度一词是很熟悉的,加速度就是速度的变化嘛,理解起来也并不困难。而且力气越大物体的速度变化越快也很符合我们的常识,所以牛顿定律更像是帮我们把我们的常识非常清楚的归纳起来了,整理明白了。就像有人帮我们把杂乱的房间整理的清清楚楚,我们当然感到心情愉悦。
然而,到了普朗克公式和爱因斯坦所解释的光电效应,情况完全不同了。能量怎么就和频率是倍数关系了呢?而且你把光当做波来看,有频率这个属性当然没问题,但你又把它当做一个颗粒,一个子丨弹丨式的东西,怎么还说它有频率呢?而且还说它的能量与频率成倍数关系,这都哪跟哪啊?我们脑子里哪有这些玩意啊?如果说牛顿帮我们把房间整理的清清楚楚,那么量子力学就相当于把我们房间扯的到处都是线,把桌子、椅子、沙发、床、电灯、电脑等等的东西胡乱的都连上绳子。我们怎么会不感觉乱,不感觉不可接受呢?
那么科学家为什么要提出这些理论,科学家为什么能提出我们理解不了的理论?难道是因为科学家更聪明吗?难道科学家就能明白为什么光子的能量是频率的倍数了吗?答案是:他们也不理解,他们也搞不懂,他们和我们一样感到不舒服!
那么科学家凭什么能提出这些理论呢?我们回忆一下普朗克公式和光电效应解释的过程就能明白。普朗克公式完全是按照数据给凑出来的,他根本不知道公式代表的什么含义,也不知道为什么,但这个公式符合事实了,所以他就公布了。爱因斯坦呢?大量的实验数据清楚的显示能量和频率就是有关系,再结合“量子”的概念,它确实就能够解释的通。
现在明白了吗?不是科学家要在我们的家具之间胡乱的扯上绳子,而是这些绳子本来就存在!只不过我们以前没发现罢了!科学家把这些透明的绳子给我们涂上了颜色,展现在了我们面前!科学家和我们一样,也不喜欢这些绳子,也嫌它们烦,嫌它们乱,也不知道这些绳子是为什么,但是实验数据使他们不得不承认绳子的存在!
所以,我们不要再感觉科学家神秘了,不要再感觉那些规律高深莫测不可理解了。那些物理公式,物理关系都是无数次的实验数据的总结!
也许你看到上边普朗克推导公式的过程感觉好不靠谱,好没科学依据,一定就是个例而已,不会是科学的常态。现在,我们应该认识到,这就是科学的常态!科学就是重复的实验数据,就是设计新的实验,为我们发现新的绳子!
当然,作为聪明的人类,不会容许这些绳子把我们的房间搞得乱七八糟的,但我们也不能无视这些绳子的存在。我们应该努力把这些绳子理顺,让我们自己觉得舒服些。这就是关于新的科学发现引发的哲学思考所在做的事!
当然了,现在还好,整个宇宙就一个“光”是特殊的,是令我们理不顺的嘛,其他的还都是明明白白的,也还算可以接受。我们慢慢研究,会把它理顺,搞清楚,整理明白的。
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