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光子理论
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普朗克认为他的假设只是对物理学定律的一点调整,而爱因斯坦意识到,如果普朗克的观念发展为一套自洽的理论体系,将会震撼十九世纪物理学体系的框架,引发其最根本的重建。
原因在于,电子振动的能量只能取分立的值,这一假设完全违背了牛顿运动定律,动摇了整个机械物理的基础。
普朗克的假设只讨论了光辐射和吸收的机制,说明在这些过程中的能量变化是一份一份的,而没有说明光从辐射到吸收之间的过程中,它的本质是什么。
爱因斯坦开始思考,是否光在传播时,其能量也是以一份一份的形式传递的。
他这样来比喻该难题:“尽管啤酒总是被装在几品脱的瓶子里卖,但是这并不说明啤酒是由不可分割的品脱单位组成的。”
在这个类比中,如果要证明桶中的啤酒是不是由一份一份组成的,并说明每份啤酒是一品脱、两品脱还是十品脱,我们可以进行如下实验:取一些容器(例如十个),随机地将桶里的啤酒倒入每个容器并测量容器中有多少啤酒,然后把啤酒都倒回桶里,重复数次以上流程。
如果啤酒不是由一份一份不连续的单位组成的,那么以上数次过程平均之后,每个容器里盛的啤酒体积是相等的。
而如果啤酒是以品脱为单位构成的,则每个容器平均盛有的啤酒的量将会有差别,这个差别随着一单位啤酒的体积增加而增加。
因此,通过观察容器中啤酒的分布,我们可以分辨这桶啤酒是不是由一份一份的单位组成的,如果是的话每一份啤酒是几品脱。
如果考虑到极端情况,即一整桶啤酒就是一份不可分割的单位,这个实验的结果就更容易理解了。
这种情况与密闭盒子中的辐射类似,想象将盒子分为几个体积相等的区域,可以测量辐射能量在每个区域中的分布。
如果辐射能也是一份一份的,且每份能量比较大,则不同区域的能量差别会很大;如果每份辐射能很小,那么区域之间的能量差别就比较小。
经验的分布规律证明,紫光在每个区域的能量差别大于红光。
因此,爱因斯坦得出结论,一份紫光的能量更大,而一份红光的能量比较小。
通过更精确的计算,表明每份光能量的大小为hn。
因此爱因斯坦发现,不仅光的发射和吸收过程是以一份一份能量为单位进行的,而且光的本质也是由确定的能量单位组成的。
他将光辐射的每一份能量称为“光子”
(Photon)。
爱因斯坦指出,一个实验的结果能证明他的理论得到的推论。
人们早已发现,当光照射在某些金属上时,能够释放出电子。
电子是组成原子的基本粒子之一,它分布在原子核之外的区域并带有一个负电荷。
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