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第4部分（第1页）

人们对于这种奇怪的、不符合理论的数据感到很迷惑，无法理解。例如，太阳就是一个最好的黑体，太阳表面的温度是6000度，如果光是波，那么太阳发射出的光绝大部分应该以紫外线的方式发射出来，然而实际情况却是，太阳并没有发射出更多的紫外线，而是发射出的白光最多。紫外线和高能射线只占总辐射量的极少一部分。因此，当你把光设想成波，就会引发理论与实际检测上的不统一。

（三）光量子

对黑体辐射实验的结果是：通过图1…16，我们可以清楚看到，在黑体中温度达到3000K时，假设辐射的总能量是100份，辐射出的各个频率段的电磁波的分布情况是呈现出一个平缓的小山形的。在温度达到4000K时，辐射出的各个频率段辐射的量分布情况就产生了差异，即向紫外线端移动。当温度达到5000K时，在各个频率段的辐射分布情况就呈现出一个高峰形状。如果按照当时的经典解释——把光看成是波，温度越高，在高频率段的辐射应该会与其他频率段的辐射相同。但是实验情况却是随着温度的增高，并未出现大量的更高频率的电磁波。

1900年，普朗克（1858—1947年）提出了一个辐射公式，这个公式完全符合实验所得到的数据。然而这个公式让普朗克必须假定存在一个公式E=hf，也就是说辐射必须是有限量的，即h不能等于零。其中E是能量，f是频率，h是一个非常小的常数。

这是什么意思呢？

简单地说，从黑体中辐射出来的电磁波不能是连续发出的，而是一份一份发出的，每一份就被普朗克称为一个〃量子〃（量子力学由此而来）。例如：普朗克常数约为h=6。626×10…34J·s，那么如果一个光子每秒钟振动一次，那么这个光子具有的能量根据公式就是6。626×10…34J（J是能量单位）。红色光的频率是400×1012赫兹，因此一个红色光子具有的能量是400×6。626×10…22J。以此类推，其他频率的光子所具有的能量就很容易计算出来了。

因此，从普朗克开始，不再把光看成是单纯的连续发射出的波，而看成是一份一份发出的波包——量子。

第13节：光电效应

五、光电效应

把光照射到金属表面（例如锌板），就会发生电流效应（见图1…17），这一效应被称为光电效应。光电效应是如何发生的呢？

首先光电效应产生的原理是，光把原子中的电子敲出了原子空间，在电子脱离了原子核的束缚跑到空间中后，就裸露出了一个正电场，因此就产生出了电磁场的移动——电流。

按照当时观点，是把光当成波来处理的。例如，你可以把波对电子的冲击想象成海浪对沙滩上石子的冲击。这样光的强度（如同海浪的强度）越大，被撞出的电子也就越多，因此产生出的电流也就越大。

然而人们通过实际检测到的情况却不是这样的，人们观察到的情况是：让金属产生电流的光的频率存在一个阈值，凡是在这个阈值下，无论你施加多大强度的辐射量，都不会产生电流。在阈值之上，只要很少量的电磁辐射，就会产生电流。例如：红色光的频率较低，如果你把一块金属放在火热的炉子旁边烤，即红光的辐射量很大，金属中也未出现任何电流。如果只是用少量的紫光去照射金属，那么瞬间就会出现电流。就是说，当把光认定为波时，无法解释光电效应中为什么会存在这么一个阈值。◆米◆花◆书◆库◆ ；http：__

在1905年，爱因斯坦借鉴了普朗克关于电磁波是以一份一份发出的见解，提出如果把光想象成是一个一个的粒子，那么光电效应的反常现象就获得了合理的解释。解释如下：你可以想象沙滩上存在的是一个一个的如铅球一样的电子，把低频率的红色光子想象成一个一个的乒乓球，那么无论多少乒乓球撞向铅球，因为其单个的能量很小，因此即便再多的乒乓球也无法将一个铅球敲出沙滩坑外。但如果是一个带有高能量的高频率光子，例如紫色光，那么每一个紫色光子都如同是一个铅球，因此只是一个铅球就可以将沙滩上的另一个铅球敲出坑外。

因此，火炉即便很热，它所辐射出的都是低频率（低能量）的光子，是无法产生电流的。同时，即便是你用很少量的紫光去照射金属，也会产生电流效应。例如，就算是在阴天情况下，阳光中辐射过来的一部分高频率的光子，也会发生光电效应。

虽然爱因斯坦在1921年因光电效应论文获得了诺贝尔奖，但是直到1926年，当大量的实验证据支持爱因斯坦之后，科学家才正式将〃光〃取名为〃光子〃。

最近几年，哈佛大学的莉娜·豪博士通过将激光聚焦到两个微小的钠气体云的方式，首次让我们看到光子的模样（见图1…18）。

实际上，我们的眼睛就是最好的、最精确的光子探测器，即光电效应发生器。例如：无论何时，当你看到一个物体时，都会发生如下过程：一个光子撞击到了在你眼中的视紫红质中的11…顺视黄醛分子，引发它的构型发生改变。这个过程就像是在光电效应中，一个光子撞出了原子中的一个电子，电子逃离质子后，质子就裸露出了一个正电场，当类似的电场经过累积达到一个阈值时，就会引发神经细胞爆发一次动作电位。由此，这个动作电位像骨牌效应的波一样（注意：神经细胞以及其中的电子、质子并没有移动，移动的是电场，而电场不是一个东西，只是一段信息），通过神经细胞间一系列的传导——传递，继而激发了你后脑脑皮层视觉细胞时，突然你就看到了这段文字。当其进一步激发大脑皮层其他部分时，就会让你思考这段文字所表达的深意。

因此，爱因斯坦对光电效应的解释无可辩驳地证明，在光从光源发出时，是以一个一个的粒子形式发出的。例如一只100瓦的白炽灯，在一秒钟内就会发射出2500亿亿个光子（见图1…19）。

六、哥本哈根诠释

自从普朗克提出辐射是以一个一个的量子方式发射以来，对于〃光到底是什么〃或者说〃光到底有什么特性〃，科学界经过将近30年的争论——主要是爱因斯坦与尼尔斯·玻尔之间的争论和新的理论提出——在1927年，由丹麦科学家尼尔斯·玻尔在丹麦首都哥本哈根提出了对光、或者说对量子世界的全新解释。这被称为哥本哈根诠释，具体解释有以下四点。为了便于理解，下面用电子和光子作为表述实验对象，其原理是等同的。

第14节：波粒二相性

（一）波粒二相性

量子力学极为深奥，但是其本质却全部源自对一个实验的不断发挥。这个实验就是波粒二相性实验。

1。光是波

在一长方形水池中竖立起一块带有一条缝隙的挡板，再把第二块带有双缝的挡板放在它的后面。最后把第三块挡板放在最后面（见图1…20）。这时在第一块挡板前面用另一挡板制造出一道水波。这时就会看到，这道水波在穿过一条狭缝后会发生衍射现象，进而再次形成一道水波向第二块双缝挡板移动过去。然后，当这道水波穿过双缝挡板后由于衍射现象，会继续出现两道水波。两道子水波继续前进，就会发生相互交叠在一起的干涉现象——在波峰交叠处，水波的振幅会变得更高，在波谷的交叠处，波谷的幅度将变得更深，在波峰与波谷的交叠处，水是平的。最后当两道波运行到第三块挡板上时，就会在挡板上显示出由于两道波相互干涉后出现的波峰与波谷交替出现的条纹。如果把波峰用白色表示，把波谷用黑色表示，这个条纹就是黑白相间的干涉条纹。︴米︴花︴书︴库︴ ；www。7mihua。com

如图1…21，如果你用手电筒照射带有一条狭缝的挡板，然后在光所通过的路径上放上第二块带有双缝的挡板，最后放上第三块挡板到双缝挡板的后面，这时你就会在第三块挡板上看到（如同水波穿过双缝挡板后形成的干涉条纹一样）光所形成的干涉条纹（见图1…22）。光所出现的干涉条纹无可辩驳地证明，光是以波的运动形态通过双缝的。

因为只有波才具有衍射和干涉的特性，所以在第三块挡板上出现的光的干涉条纹证明光一定是波（见图1…22）。就是说，光是像水波一样穿过双缝的。

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