|
四、爱因斯坦的光量子 最早明确地认识到普朗克的发现开创了物理学新纪元的物理学家之一，是年轻的爱因斯坦。1905年春天，爱因斯坦在德国《物理学纪事》第17卷（第4辑）上，连续发表了三篇论文。其中第一篇《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，被爱因斯坦称为是非常革命的，它为研究辐射问题带来了一个崭新的观点。 爱因斯坦意识到，量子概念带来的将是整个物理学理论基础的根本变革，而不是对个别定律进行的局部修改。他认为，在普朗克的理论中只考虑了器壁上振子能量的量子化，但对空腔内电磁辐射的处理，还是用的麦克斯韦理论。就是说，电磁场在本质上还是连续的波，只有当它们与器壁振子发生能量交换时才显示出不连续性来。这种观点是不彻底的。在这篇论文的引言里，爱因斯坦肯定了光的波动理论的成功之处，但又指出了这个理论在应用到光的产生和转换现象时可能与实验不一致。他说： "运用连续三维函数的光的波动理论能极其圆满地解释了各种纯光学现象，它决不可能为任何一个别的理论所取代。可是我们应当记住，光学观测所得出的是对时间的平均值，而不是瞬时值。因而尽管在讨论关于衍射、反射、折射和色散等方面连续场理论巳完全为实验所证实，但是可以想见，当运用连续三维函数的光的理论到光的产生和转化等现象时，它势必导致与经验相矛盾。" 在1910年前后爱因斯坦写的一份手稿里，他指出建立在法拉第场概念上的麦克斯韦理论仅仅是一个过渡阶段。他写道："在我看来，既取消以太而又让能量连续地分布于空间，似乎是荒诞不经的。......虽然法拉第的表述方法推动了电动力学的发展，但是我总觉得，不能因此而认为这个观点必定在细枝末节上也完全正确。"这充分表现了爱因斯坦对旧的传统理论和观念的严峻的批判态度，以及他善于发现各种理论矛盾的洞察力。爱因斯坦一开始就认为，麦克斯韦理论仅对时间的平均值是有效的，而对于瞬时现象，则必须引进粒子观念。 在1905年的那篇论文中他提出："在我看来，如果假定光的能量不连续地分布于空间的话，那么，我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其他涉及光的发射与转换的现象的各种观测结果。根据这种假设，从一点发出的光线传播时，在不断扩大的空问范围内能量不是连续分布的，而是由一个数目有限的局限于空间中的能量量子所组成，它们在运动中并不瓦解，并且只能整个地被吸收或发射。"这样，爱因斯坦就提出了，电磁场能量本身也是量子化的，辐射场不是连续的，而是由一个个集中存在的、不可分割的能量子组成的。他把这一个个能量子称为"光量子"。1926年，美国物理学和化学家刘易斯将它定名为"光子"。 爱因斯坦是从普朗克的量子假设那里出发的。大家都还记得，普朗克假设，黑体在吸收和发射能量的时候，不是连续的，而是要分成"一份一份"，有一个基本的能量单位在那里。这个单位，他就称做"量子"，其大小则由普朗克常数h来描述。在这里把量子的计算公式写在下面： E=hv 读者有必要清楚公式的含义，这对于量子的理解也是有好处的。从科学意义上来说， E代表一个量子的能量，h是普朗克常数(6．626×10-34焦耳．秒)，v是辐射频率。 让我们再重温一下光电效应和电磁理论的不协调之处：电磁理论认为，光作为一种波动，它的强度代表了它的能量，增强光的强度应该能够打击出更高能量的电子。但实验表明，增加光的强度只能打击出更多数量的电子，而不能增加电子的能量。要打击出更高能量的电子，则必须提高照射光线的频率。 提高频率，提高频率。爱因斯坦突然灵光一闪：E=hv，提高频率，不正是提高单个量子的能量吗?而更高能量的量子，不正好能够打击出更高能量的电子吗?另一方面，提高光的强度，只是增加量子的数量罢了，所以相应的结果自然是打击出更多数量的电子!一切在突然之间，显得顺理成章起来。 从光量子的角度出发，一切变得非常简明易懂了。频率更高的光线，比如紫外光，它的单个量子要比频率低的光线含有更高的能量(E=hv)，因此当它的量子作用到金属表面的时候，就能够激发出拥有更高动能的电子来。而量子的能量和光线的强度没有关系，强光只不过包含了更多数量的光量子而已，所以能够激发出更多数量的电子来。但是对于低频光来说，它的每一个量子都不足以激发出电子，那么，含有再多的光量子也无济于事。 这里面关键的假设就是：光以量子的形式吸收能量，没有连续性，不能累积。一个光量子激发出一个对应的电子。于是实验揭示出来的效应的瞬时性难题也迎刃而解：量子作用本来就是瞬时作用，没有积累的说法，这也就是通常人们所说光电效应。 光电效应是赫兹在1887年就已经发现。赫兹在进行证明电磁波存在的实验时注意到，当接收电磁波的电极之一受到紫外光照射时，两极之间就容易出现电火花。一年后，霍耳瓦克斯证明，这是由于出现了荷电体所致。在发现了电子之后，人们明白了这是紫外线作用下电极表面的电子发射现象。在1899至1902年间，赫兹原来的助手勒纳德利用各种频率的光照射钠汞合金，对光电效应进行了系统的实验研究。他发现，光电效应具有三个为经典波动理论无法解释的主要性质：第一，每种金属表面都存在一个特征截止频率v0，频率小于v0的入射光不管其强度有多大，都不能发生光电效应；第二，出射光电子的动能只同入射光的频率有关，同入射光的强度无关；第三，只要入射光的频率大于截止频率v0，则无论它多么微弱，都会立即引起光电子发射，不存在滞后时间。 爱因斯坦认为，勒纳德的观测是光的微粒性质的清楚证据；能量为hv的光量子透入到金属表面层中，把它的能量全部转移给一个电子，电子则消耗这点能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功Wo,于是，出射电子的最大动能就由下式决定。 1/2mvv = hv - Wo。 这就是爱因斯坦光电方程，式中1/2mvv是激发出电子的最大动能，hv是单个量子的能量，Wo为金属的"功函数"。不难看出这个方程其实很简单。由这一假设和方程，可以直接解释前述的光电效应的几个性质。 尽管爱因斯坦的论证清晰简明，但他的光量子假说在好多年后还遭到许多著名物理学家的强烈反对。光量子概念之被接受，主要是通过两个美国实验物理学家密立根和康普顿的工作。康普顿的工作我们以后再提，先说说密立根的试验结果。 由爱因斯坦光电方程可知，出射光电子的最大能量是频率的线性函数，其斜率正好等于普朗克常数。因此，测量电子的最大能量和频率的依赖关系，既能验证爱因斯坦方程，又可测定h值。密立根花了十年时间克服了严重的困难，利用巧妙而复杂的装置，终于在1915年成功地作出了实验证明，并准确地测定了h值，1949年，密立根在爱因斯坦七十寿辰所发的贺词中写道： "在我的一生中我花了十年的时间检验爱因斯坦的1905年的方程，结果和我所有的预期相反，在1915年我不得不宣布它的毫不含糊的实验鉴定，尽管它似乎与我所知道的光的干涉的每件事都相违而不合常情。" 密立根的这段话不够明晰，其实这样说就更简单：我花了十年的时间证明了爱因斯坦的1905年的方程！ 1921年，爱因斯坦"由于他在理论物理方面的贡献，特别是发现了光电效应定律"而获得诺贝尔物理学奖；密立根"由于他在基本电荷和光电效应方面所作的研究工作"而获得1923年诺贝尔物理学奖。 但是，大家从光电效应中嗅到了些什么没有？光量子，光子......。光究竟是一种什么东西呢？难道我们不是经清楚地下了结论，光是一种波动吗？光量子是一个什么概念呢？仿佛宿命一般，历史在转了一个大圈之后，又回到起点。关于光的本质性问题，干戈再起，"第三次波粒战争"一触即发。而这次，导致的后果是全面的世界大战。 波动说好比是屋漏偏逢连阴雨，行船又遇顶头风。它正在为普朗克能量子伤透脑筋的时候，又冒出来一个爱因斯坦的光量子，它既不能解释能量子，也不能解释光量子，只能眼睁睁地看着粒子说死灰复燃。 |