光子理论（第1页）

光子理论

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。1902年，德国实验物理学家菲利普·莱纳德（1862—1947）发现了令人震惊的实验事实，金属逸出电子的能量与照射在金属上的光强没有关系，电子能量只依赖于入射光的颜色（即频率）。无论光源离金属有多远，逃逸电子的数量虽然会变少，但是电子出射的初速度始终不变。例如，当用紫光取代红光照射金属时，逸出电子的速度会明显增加。

用爱因斯坦的观点能够很容易地解释这个现象。对于单一颜色的光，它每一份能量的大小是确定的，当光源离得越远时，其能量单位“光子”分布得更稀疏。一份辐射能量被一个电子吸收时，电子带着光子的能量逃逸出来。因此，光源和金属之间的距离与每个出射电子的能量之间没有关系。此外，红光的光子和紫光的光子在能量上是不同的，因此一个电子吸收紫色光光子时的逸出速度大于吸收红色光光子时的逸出速度。

我们再用一个比喻来说明这一过程。当分别用机关枪和大炮来轰击碉堡时，即使两者使用的火药总量相等，其造成的效果也大相径庭。机关枪只会将碉堡表面打得坑坑洼洼，而大炮会直接将碉堡轰出一个洞。此外，炮火的平均强度不会影响洞的大小，只影响洞的数量。

由于光的不连续性假设，爱因斯坦对力场连续性的观念提出了质疑。如果光是由一份份的光子构成的，那么电磁场也不能连续地充满整个空间。传统的光的电磁理论基于电磁场连续性的假设，现在也需要被重新检验。然而，光子的不连续结构与其他的观察结果显然也不一致。尤其是涉及光的干涉和衍射现象时，光的连续性理论能很好地解释实验。爱因斯坦对也十分了解这种困难，所以他认为自己的假设仅仅是一种权宜之计，很快就会被科学的进步所淘汰。因此，他将自己的理论文章取名为：“关于光的产生和转化的一个启发性观点”。（OittheProdudTransformationofLight。）

有趣的是，爱因斯坦的光量子理论（quantumtheht）是建立在两个德国物理学家的研究基础上的。这两个物理学家后来在爱因斯坦的生命中都扮演了重要角色。马克斯·普朗克是最早拥护爱因斯坦相对论的科学家，而菲利普·莱纳德则在哲学、政治、宗教等各个方面激烈地反对爱因斯坦。

爱因斯坦传pdf所有内容均来自互联网，126文学网只为原作者菲利普·弗兰克/李梦蕾，吴碧宇译的小说进行宣传。欢迎各位书友支持菲利普·弗兰克/李梦蕾，吴碧宇译并收藏爱因斯坦传pdf最新章节。