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解密暗物质135-暗物质正反粒子偶极子模型自洽性验证-光电效应

已有 201 次阅读 2024-3-1 19:47 |个人分类:我独醉|系统分类:科研笔记

只要能发现暗物质和场物质都是由正反粒子偶极子组成,你就能揭开物理学和天文学重大问题的谜底

光电效应

光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现。科学家在研究光电效应的过程中,物理学者对光子的量子性质有了更加深入地了解,这对波粒二象性概念的提出有重大影响。

光照射到金属上,引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric effect)。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应,又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。按照粒子说,光是由一份一份不连续的光子组成,当某一光子照射到对光灵敏的物质(如硒)上时,它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后,动能立刻增加;如果动能增大到足以克服原子核对它的束缚,就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面,成为光电子,形成光电流。单位时间内,入射光子的数量愈大,飞逸出的光电子就愈多,光电流也就愈强,这种由光能变成电能自动放电的现象,就叫光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应,光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累到足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,电子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。当时研究赫兹效应的各种实验还伴随着光电疲劳的现象,让研究变得更加复杂。光电疲劳指的是从干净金属表面观察到的光电效应逐渐衰微的现象。根据霍尔伐克士的研究结果,在这现象里,臭氧扮演了很重要的角色。可是,其他因素,例如氧化、湿度、抛光模式等,都必须纳入考量。

18881891年间,史托勒托夫完成了很多关于光电效应的实验与分析。他设计出一套实验装置,特别适合于定量分析光电效应。借助此实验装置,他发现了辐照度与感应光电流的直接比例。另外,史托勒托夫和里吉还共同研究了光电流与气压之间的关系,他们发现气压越低,光电流变越大,直到最优气压为止;低于这最优气压,则气压越低,光电流变越小。

1897430日,约瑟夫·汤姆孙于在大不列颠皇家研究院(Royal Institution of Great Britain)的演讲中表示,通过观察在克鲁克斯管里的阴极射线所造成的荧光辐照度,他发现阴极射线在空气中透射的能力远超一般原子尺寸的粒子。因此,他主张阴极射线是由带负电荷的粒子组成,后来称为电子。此后不久,通过观察阴极射线因电场与磁场作用而产生的偏转,他测得了阴极射线粒子的荷质比。1899年,他用紫外线照射锌金属,又测得发射粒子的荷质比为7.3×10emu/g,与先前实验中测得的阴极射线粒子的数值7.8×10emu/g大致符合。他因此正确推断这两种粒子是同一种粒子,即电子。他还测出这粒子所载有的负电荷。从这两个数据,他成功计算出了电子的质量:大约是氢离子质量的千分之一。电子是当时所知质量最小的粒子。

1900年,菲利普·莱纳德发现紫外线会促使气体发生电离作用。由于这效应广泛发生于好几厘米宽区域的空气,并且制造出很多大颗的正离子与小颗的负离子,这现象很自然地被诠释为光电效应发生于在气体中的固体粒子或液体粒子,汤姆孙就是如此诠释这现象。1902年,莱纳德又发布了几个关于光电效应的重要实验结果。第一,借着变化紫外光源与阴极之间的距离,从阴极发射的光电子数量每单位时间与入射的辐照度成正比。第二,使用不同的物质为阴极材料,每一种物质所发射出的光电子都有其特定的最大动能,光电子的最大动能与光波的光谱组成有关。第三,借着调整阴极与阳极之间的电压差,他观察到,光电子的最大动能与截止电压成正比,与辐照度无关。由于光电子的最大速度与辐照度无关,莱纳德认为,光波并没有给予这些电子任何能量,这些电子本来就已拥有这能量,光波扮演的角色好似触发器,一触即发地选择与释出束缚于原子里的电子,这就是莱纳德著名的触发假说”(triggering hypothesis)。在那时期,学术界广泛接受触发假说为光电效应的机制。可是,这假说遭遇到一些严峻问题,例如,假若电子本来在原子里就已拥有了逃逸束缚与发射之后的动能,那么,将阴极加热应该会给予更大的动能,但是物理学者做实验并没有测量到任何不同结果。

1905年,爱因斯坦对于光电效应给出另外一种解释。他将光束描述为一群离散的量子,现称为光子,而不是连续性波动。组成光束的每一个量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。假若光子的频率大于某极限频率,则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸,造成光电效应。爱因斯坦的论述解释了为什么光电子的能量只与频率有关,而与辐照度无关。虽然光束的辐照度很微弱,只要频率足够高,必会产生一些高能量光子来促使束缚电子逃逸。尽管光束的辐照度很强劲,假若频率低于极限频率,则仍旧无法给出任何高能量光子来促使束缚电子逃逸。

与声波类似,声的高低与频率有关,频率越高,粒子的运动速度就越快,单个粒子具有的能量就越高,因此当频率小于20的声波,无论有多么强,都不会被听到。但是声音的传播速度与分子的运动快慢无关的,无论频率多少,无论声音的强度是多大,声音的传播速度只与传播声音的介质相关。

光是场态粒子相互诱导振荡传递的电磁波,必然具有粒子性和波动性。场态粒子振荡产生了电偶极矩,相互诱导使电偶极矩不断变化的过程。场态粒子本身就是粒子,当然具有粒子性。场态粒子一次振荡的相互诱导,就是一次虚拟粒子的传递。而这种振荡传递的不是物质而是能量,而能量体现在电偶极矩的变化量,宏观测量反映在频率上。

由于场态粒子散布于整个空间,一旦出现对称性破缺的电偶极矩发生变化,就产生强烈的恢复对称性的势,就立刻诱导其他场态粒子振荡。这就致使每一次电偶极矩变化的相互诱导振荡都即刻传递,不能累积,因此一次电偶极矩变化诱导的振荡只能激发出一个电子。一旦电偶极矩的电势能不足以使核外电子逃离原子核束缚,即使核外电子吸收场态粒子电偶极矩变化所转化的能量,也只能向更外的轨道跃迁,接收到的能量就转化为显态粒子的内能。

单个场态粒子一次振荡的能量与电偶极矩变化量有关,而整体传播过程表现为电磁波的频率。光的频率越小,就意味着电偶极矩的振荡变化量越小。光的频率如果低于红限,一个场态粒子的能量无法让一个电子逃脱束缚而成为自由电子,因此无论多强的光也不会产生光电效应。

只有达到一定的频率后,单个场态粒子电偶极矩振荡的能量才可以使一个电子摆脱束缚,这样才能产生光电效应。光的频率高于红限后,激发出来的电子数量与被激发的场态粒子数量有关。

总之,光电效应证明光具有显著的粒子性。光是场态粒子相互诱导振荡传递的电磁波,场态粒子本身就是粒子,毫无疑问具有粒子性。场态粒子相互诱导是通过对称性破缺恢复的势或电偶极矩实现的。显态粒子释放或吸收电磁波是通过与场态粒子的耦合共振完成的。场态粒子的能级是连续能级,携带的能量是与显态粒子光源耦合谐振获得的。显态粒子与场态粒子耦合谐振完成吸收电磁波后,如果能量较低,核外电子只能完成一次能级跃迁而未成为自由电子,会立刻通过跃迁将能量传递其他显态粒子或场态粒子。粒子间相互作用交换光子,光子是微观层面粒子直接作用的电磁力,必然表现出粒子性;光子是宏观层面粒子不断诱导震荡形成电磁波传递的能量,必然表现出波动性。只有采用场态粒子理论才能解释波粒二象性的粒子作用机理与能量波动传递机制。

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