电子和量子

电子和量子

1902年，勒纳德研究了光电效应并指出，从各种不同金属中放出的电子总是具有相同的性质。换句话说，虽然存在许许多多不同的原子，但是它们都与同一种类型的电子相结合。考虑到科学家们都喜欢简单，这无疑是一条人人都希望的信息。

另一方面勒纳德发现，并非所有的光对产生光电效应的作用都是相等的。红光往往不能使电子被释放出来，即使增加光的强度也没有用。无论将光的强度增加到多么强，都不会出现电子。

然而，如果将某一特定金属暴露在波长愈来愈短的光中，就会出现某一点，从这一点起电子开始被释放出来。开始出现这种现象的点所对应的波长被称为门槛值。

当光的波长为门槛值时，被放出的电子以非常小的速度运动，仿佛光的能量刚刚够使电子释放出来，一点也没有多余。如果使光保持门槛值但增加其强度，则会放出更多的电子——但它们仍以非常小的速度运动。

如果金属暴露在波长小于门槛值的光下，而且波长愈来愈短，那么放出的电子的运动速度也会愈来愈大。电子运动的速度取决于光的波长，而放出电子的数量则取决于光的强度。不同的金属对应不同的门槛值，仿佛有些金属对电子的持有比另外一些金属更松一些。

勒纳德无法对此作出解释，而J·J·汤姆孙也未能做到。19世纪的科学家们都未能解决这一问题。直到普朗克创立量子理论后，又过了5年，人们才运用该理论得到了问题的答案。

普朗克提出，电磁辐射是以一定大小的量子的形式出现的。波长愈短，量子拥有的能量就愈大。

同样，波长愈短，每秒钟产生的辐射波数也愈多。我们把每秒产生的辐射波数称为频率。那么，波长愈短则频率就愈高。因此，我们可以说量子的大小与它的频率成正比。

1905年以前，这种量子概念还仅用于有关黑体辐射的研究。这不会是一个只能解释一种现象而没有更多用处的数学技巧吧？量子确实存在吗？

几年之后，即1905年，爱因斯坦所做的理论研究已经能够表明，原子确实存在，并且就在同一年他也切实解决了上面这个新问题。

爱因斯坦是第一个认真使用量子理论的人，并且第一个考虑不仅将该理论方便地用于解决黑体辐射这一个问题。他提出，能量在任何时候、任何情况下都是以量子的形式出现的，因此所有包含能量的问题，不只是黑体辐射问题，都必须考虑量子。

这就意味着当辐射撞击物质时，它是以量子的形式存在的。辐射以量子的形式撞击时，若被吸收，那么被吸收的就是量子，而且在任何时刻、任何地方，被吸收的都是一个完整的量子。

如果撞击的辐射是长波长、低频率的光，那么量子就是低能量的。这种量子在被吸收时也许所含的能量并不足以使电子从特定的原子中脱离出来。在这种情况下，量子只是作为热量被吸收，电子也许会加速振动但不能脱离。如果提供足够的这一类量子，物体也许会由于吸收了足够的热量而融化，但绝不可能有任何一个原子由于吸收了足够的热量而会失去一个电子。

随着波长变短、频率增加，量子所含的能量愈来愈高，当波长达到门槛值时，刚好具有使电子脱离的能量。这时，由于不存在任何多余的能量来作为电子运动所需的能量，因此电子的运动非常缓慢。

对于波长更短、能量更高的量子，它具有足够的多余能量，因而能放出速度相当高的电子。波长愈短、能量愈高的量子，电子运动的速度也就愈高。

原子持有电子的松紧程度首先取决于原子的性质，其次还取决于放出电子所需的是较大的量子还是较小的量子。因此，每种元素的门槛值都会有所不同。

量子理论简洁地解释了所有观测到的有关光电效应的现象，这给人们留下了非常深刻的印象。若一种已经被用来解释一种现象的理论结果又能解释另一种现象，而且两种现象显然并无联系，那么接受这种能代表事实的理论将会变得非常吸引人。（这里你看到了一个理论应用的实例；它广泛地解释了不同类型的观测结果。如果没有量子理论，就没有人会看到黑体辐射与光电效应之间的联系——对许多其他现象也就不能作出解释。)爱因斯坦因为他的研究找出了这种联系而获得了1921年的诺贝尔奖。