科学认识、运用客观世界的基本特性（11）

（接（10））

15．辐射规律的研究

   光波、声波，都是“辐射”，转变为热能的光波、声波，就是“热辐射”。

黑体辐射公式就是研究辐射与周围物体处于平衡状态时的能量按波长（或频率）分布的公式。

维恩从热力学普遍理论考虑以及分析实验数据得出的黑体辐

射半经验公式，在短波波段与实验符合得很好，但在长波波段与实验有明显的偏离。

瑞利与金斯根据经典电动力学和统计物理理论得到的公式，在

长波波段与实验符合得很好，却在但在短波范围，能量密度则迅速地单调上升，同实验结果尖锐矛盾，在物理学史上称作"紫外灾难"，它深刻揭露了经典物理的困难。

   1900年普朗克获得一个和实验结果一致的纯粹经验公式：                                              

式中T是热力学温度，k是玻耳兹曼常数。

1901年他第1个提出了能量“量子”化假设：

他对辐射认识的中心思想是：辐射场能量密度按波长的分布曲线的线性谐振子，谐振子的能量是不连续的，是一个“量子能量”， hv，的整数倍：

式中v是振子的振动频率，h是普朗克常数，根据这个假设，导出普朗克公式（即以上的经验公式），它给出辐射场能量密度按频率的分布。

普朗克公式在不太高温度、高频范围hv/kT的极限条件下，过渡到维恩公式

，

在高温度、低频hv<<kT的极限条件下，就过渡到瑞利-金斯公式。

  圆满地解决了物理学史上的这一"紫外灾难"，得到完全符合实验的黑体辐

射公式。

     实际上，这已充分表明：

普朗克公式采用能量“量子”化，就能全面正确地反映，维恩公式所反映的黑体壳壁大量原子、分子，谐和振荡的统计平均动能，和瑞利-金斯公式所反映的黑体壳壁发出的大量热辐射光子的统计平均动能。

因为，在低温条件下，黑体壳壁不发出的热辐射光子，因而，按hv/kT,普朗克公式成为维恩公式；在高温条件下，黑体壳壁发出的热辐射光子，因而，普朗克公式成为瑞利-金斯公式。

能量“量子”化，正是证实了，各种辐射，都和原子、分子，等等似的，具有“粒子”的特性。

16.  爱因斯坦“光量子”理论

1887年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，意外发现，如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生。

1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。

1899年，J.J.汤姆孙测得产生的光电流的荷质比是电子流。

1899—1902年，勒纳德（P.Lenard，1862—1947）对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”。

许多科学家通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律：

1.   每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率（或称截止频

率），即照射光的频率不能低于某一临界值。

相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）。

当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。

一些金属的极限波长(单位：埃)：

2．光电效应中产生的光电子脱出物体时的初速度（初动能）与光的频率有关，而与光强无关。

3．光电效应的瞬时性。

实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即几乎在照到金属时立即产生光电流。

响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）。

1.   入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由

单位面积是逸出的光电子数目。

在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即一定颜色的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。

这些规律显然都与经典电磁理论矛盾。

经典电磁理论认为，光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，即电磁波的振幅，而与电磁波的频率无关。

而实验规律中的第1、2、4，点显然用经典理论无法解释；根据经典理论，要很弱的光使电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子，第3点也不能解释。

爱因斯坦对光电效应的科学解释，是假设:光和原子、电子，一样也具有粒子性，是以光速C运动着的光量子流，每个光量子的能量同普朗克的能量子一样，也是E=hν，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为p=E/c=h/λ。

并提出：爱因斯坦光量子方程：E=hv-W，

v是打到金属上光的频率, hv 是这束光的能量, W是金属中电子

飞出金属表面所需能量(即逸出功)，多余的能量就是光电子飞出的动能，E。

也充分表明：光是能量为hv，速度的3维空间分量=真空中光速，c，的粒子。

 还有康普顿效应表明：光子与电子碰撞也满足能量动量守恒， 也

只有光量子的粒子性，才能科学地解释。

光波、声波，以及它们转变为热能的“热辐射”，实际上，都是

具有各自相应能量的“粒子”，光子、声子的相应表现。

可见，所谓“量子”，只是表明：一切物体，包括光、声、热辐射，都是具有相应一定“能量”特性的“粒子”。

17.  所谓“波、粒2象性”的错误

但是，光的干涉、绕射，却只能解释为“波”的特性，而且，电子、中子，等，也可有干涉、绕射。

特别是，德布罗意波能表达、反映，“无论是静止质量不为0，速度的3维空间分量小于光速，c，的各基本粒子，或静止质量=0，速度的3维空间分量=c，的光子，的大量粒子的动能”。

因而，使得国际流行观点误认为：一切个别粒子都是具有所谓“波、粒2象性”，并以此作为 “量子 ”的基本特性。

实际上，任何个别的粒子都没有波的特性，任何波都不能形成稳定的粒子。只是大量粒子的集体表现（例如：静止质量不=0粒子

中的，电中性粒子的震荡波，带电粒子的电磁波）或时空统计结果（例如：静止质量不=0的各种粒子，和静止质量=0的光子、声子，时空统计的几率分布）才是“波”。

    而且，微弱光束的干涉、衍射的条纹、图形都是由各光子几率位置的各个点逐次形成的，也具体说明，干涉、衍射 也是大量粒子逐次造成的。

因此，通常认为：个别粒子有所谓“波、粒2象性”是所谓“量子”，就是错误的概念。

但是，如果把： “大量粒子的集体表现或时空统计结果的“个体代表 ” 称为 “量子 ”，就可以是，也才可以是，正确的。

（未完待续）