一束光引發(fā)的革命 ——雙縫實(shí)驗(yàn) 普朗克的黑體輻射 光電效應(yīng)
作者： ${content.author} 時(shí)間：2024-07-20 瀏覽量：15,334同學(xué)們大家好，歡迎大家來到科普大講堂。老師先問大家一個(gè)問題，你們認(rèn)為光是波，還是粒子呢？這個(gè)問題似乎有點(diǎn)深?yuàn)W。如果是波，那么光應(yīng)該就像繩子一樣，蜿蜒不斷地傳播。如果是粒子，那就應(yīng)該像沙子一樣，粒?？蓴?shù)。
17世紀(jì)末，著名科學(xué)家牛頓和惠更斯之間，針對光的本質(zhì)產(chǎn)生了爭論。牛頓認(rèn)為光是由許多微小的粒子組成的，而惠更斯則認(rèn)為光是一種波。由于牛頓在科學(xué)界的地位，光的粒子說一直占據(jù)上風(fēng)。直到19世紀(jì)初，英國科學(xué)家托馬斯·楊通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的本質(zhì)。
大家請看，這就是“雙縫實(shí)驗(yàn)”。當(dāng)我們打開電源，啟動(dòng)激光發(fā)射器，旋轉(zhuǎn)旋鈕，調(diào)節(jié)雙縫板的位置，可以看到光在屏幕上形成了明暗相交的條紋。大家想一想，條紋是如何形成的呢？如果將光波換成水波，波紋穿過雙縫板形成了兩股波紋，兩股波紋交替影響，當(dāng)波峰和波峰或波谷和波谷疊加，會(huì)明顯較強(qiáng)，在屏幕上形成明亮的條紋，而波谷和波峰疊加，則相互抵消，形成暗紋。這就是光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。由于這種現(xiàn)象是波獨(dú)有的特性，所以當(dāng)時(shí)光的波動(dòng)論占據(jù)主流。這還并非最終結(jié)論。
時(shí)間來到18世紀(jì)末，科學(xué)家們在研究黑體輻射時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人困惑的現(xiàn)象：黑體輻射的能量分布與經(jīng)典物理學(xué)預(yù)測的結(jié)果存在顯著偏差。這成為了19世紀(jì)末物理學(xué)大廈上一朵烏云。所謂黑體，是指一個(gè)能夠吸收所有入射電磁輻射的理想化物體，它的輻射特性僅由其溫度決定。如果大家見過燒紅的鐵絲，就會(huì)發(fā)現(xiàn)溫度越高鐵絲的顏色越亮，當(dāng)冷卻時(shí)，顏色會(huì)隨著溫度變暗。這說明物體的能量輻射與自身溫度有密切關(guān)系。
大家看看這件“普朗克的黑體輻射”，通過改變白熾燈泡的電能改變燈絲的溫度。在發(fā)光燈泡后面的屏幕上，色譜曲線會(huì)根據(jù)燈泡的溫度實(shí)時(shí)變化。通過觀察，我們可以知道物體溫度與其發(fā)出的光的顏色之間有密切的聯(lián)系。溫度越高，物體輻射的光譜峰值越接近短波波段。
太陽光譜的峰值就集中在黃綠波段，即550納米左右，這是因?yàn)樘柕谋砻鏈囟燃s為6000度左右，其顏色為白中帶綠，其輻射的波長主要集中在可見光范圍。
在探索黑體輻射之謎的征途中，馬克斯·普朗克提出了“量子化”的概念。能量只能是以普朗克常數(shù)的倍數(shù)出現(xiàn)。想象一下我們使用的鈔票現(xiàn)金，它就是以最小面額的整倍數(shù)出現(xiàn)，最小的是一角，沒有0.5角或2.5角的幣值。普朗克所引入的量子假說，不僅巧妙解釋了黑體輻射的頻譜分布，更為量子力學(xué)的誕生奠定了基石。普朗克的理論雖然很符合物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但量子化的概念過于詭異，以至于當(dāng)時(shí)大多數(shù)科學(xué)家無法接受。直到愛因斯坦的出現(xiàn)。
我們了解愛因斯坦主要因?yàn)樗岢鱿鄬φ?，其?shí)他也是量子力學(xué)的奠基者。愛因斯坦在1905年發(fā)表一篇關(guān)于光電效應(yīng)的論文，完美地解釋了光電效應(yīng)。赫茲最早發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的發(fā)生與光的頻率有關(guān)，而與光的強(qiáng)度無關(guān)。但很長時(shí)間以來沒有得到合理解釋。
我們來看“光電效應(yīng)”這件展項(xiàng)，大家可以按下一個(gè)按鈕，啟動(dòng)一個(gè)自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。靜電計(jì)放電，光線照射在靜電計(jì)上。首先，經(jīng)過紫外線過濾的光線不會(huì)使靜電計(jì)放電。但我們除去紫外線濾波器后，靜電計(jì)開始放電。這說明只要光的頻率足夠高，就可以引起物體表面的電流變化。
愛因斯坦在1905年提出了光子假設(shè)，當(dāng)光照射到物質(zhì)表面時(shí)，電子吸收光子的能量，當(dāng)能量足夠克服逸出功時(shí)，電子就能夠從物質(zhì)表面逸出。逸出的電子被稱為光電子。
所以，光不僅僅是波，還是粒子，具有波粒二象性。愛因斯坦成功解釋了光電效應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了光的粒子性，也為量子力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
1923年，法國科學(xué)家德布羅意受到愛因斯坦理論的啟發(fā)，提出不僅光具有波粒二象性，一切物質(zhì)也都具有波粒二象性。這一假說打破了人們對物質(zhì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，為量子力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。我們再次回到第一件展品“雙縫實(shí)驗(yàn)”，假設(shè)把光換成電子等物質(zhì)，當(dāng)它們通過雙縫時(shí)也會(huì)出現(xiàn)明暗交接的條紋。后來，科學(xué)家戴維森和杰爾默·革末進(jìn)行的電子散射實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了德布羅意的理論。
物質(zhì)波的概念讓我們對微觀世界的探索更加深入，也為許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了理論支持。德布羅意的這一貢獻(xiàn)無疑是對科學(xué)的巨大推動(dòng)，也是對人類認(rèn)知的一次深刻拓展。通過用電子束轟擊鎳靶并觀察反射電子的角度分布，他們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與物質(zhì)波假設(shè)所預(yù)測的模式吻合，這為物質(zhì)波理論提供了強(qiáng)有力的實(shí)據(jù)。
光的本質(zhì)研究歷程不僅僅是物理學(xué)領(lǐng)域的一次思想革命，更是人類智慧的集中體現(xiàn)?？茖W(xué)家們通過對自然現(xiàn)象的觀察、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及理論抽象，不斷深化對光的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。這種追求真理、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，不僅極大地豐富了人類對自然界的認(rèn)識(shí)，也促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。
