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光量子理論大全

1900年普朗克蒙出一個黑體輻射的普适公式，就馬上意識到既然這個公式正确，那它當中就必定隐藏着某種真相待我發覺，于是普朗克就開始研究公式的推導就是通過這個分子分母同時乘以玻爾茲曼常數（k 或 kB是指有關于溫度及能量的一個物理常數）。通過這個公式推導出一個結論，E=nkC2ν

其中n隻能取正整數，k波爾茲曼常數，C2維恩系數，ν就是電磁波的頻率，k和C2都是常數這個公式就是一個最簡單的二元一次方程，在二維坐标下表示就是一條直線，但是這個公式是有一個條件n隻能取正整數，也就是說黑底輻射的能量取值隻能是某一個最小值的整數倍，這個最小值就是kC2ν，k和C2都是常數，kC2就用h來表示這就是我們所熟悉的普朗克常數h，所以這個公式就變成了E=nhν隻能取正整數。

但是反過來一想，經典物理學的不是這樣的，沒聽說過能量還有個最小值，而且還是不連續的自然數，比如有一根香腸，從中切成一半，把剩下的一半再分，可以一直無限的細分下去，應該是無窮無盡的，可是現在分到某一個值就不能再分了，這個有點想不通，隐約之中布朗克就感覺可能發現一個驚天大秘密，于是在1900年的12月14日，普朗克把自己的推導過程和想法就發表出來，還說如果黑體輻射的這個公式是正确的話，就必須要有一個前提假設能量不是連續的而是一份一份的，一個不可再分的能量子形式向外轉播，普朗克還給能量的最小值起了個名字叫做能量子，簡稱量子。

這就是量子的起源，普朗克自此打開了舊量子論和量子力學的大門，不過這和當時經典物理學格格不入，1900年普朗克42歲了本身也很保守，他多少都會有些顧慮，所以他就在論文最後寫上我就這麼一說，大家不要較真兒，當時的物理學家也真沒拿這個當回事，1905年英國數學家金斯還是修改瑞利的公式，也就說普朗克公式提出5年後還有人試圖從經典物理學的角度來解釋黑體輻射問題。

此時同樣是在1905年有一個年輕人把普朗克的假設當回事了，他就是家喻戶曉的大科學家愛因斯坦，他在1905年一邊發表狹義相對論，還有精力研究黑體輻射和光電效應問題，那年愛因斯坦26歲，正值青春年少精力充沛，年輕人也比較容易接受這些新奇想法。後面還會講到很多科學界大佬兒，他們基本上都是很年輕的時候就對量子力學有很大的成就。

愛因斯坦就想赫茲的實驗說明一束電磁波打到金屬闆上能不能打出來電子和光強沒有關系隻取決于電磁波頻率，現在普朗克又說能量不是連續的，而是一份一份的，E=nhν這不說明電磁波每一份能量取決于它的頻率ν。愛因斯坦心裡一樂這不是送分題嗎，他假設能量不是連續的，電磁波是一種能量，光又是一種電磁波，那光也不是連續的，把光分成一小份一小份，每一份取個名字叫光量子，後來美國物理學家改了名字簡稱光子，光子也是不可再分的，就是最小單位了，光子的能量值根據E=nhν當n=1的時候E=hν，普朗克常數值很小h=6.62607015×10^（-34） J·s，它的數量級是10的-34次方，在哪個公式中看到普朗克常數h它就一定是個量子問題。

愛因斯坦就寫了篇論文，要想把金屬闆上的電子打出來，需要一個最小的能量值，這個能量值叫做逸出功，也就是說光一個粒兒一個粒兒的打過來，每一粒光子攜帶的能量要大于電子的逸出功，電子才能逸出，也就是光的頻率大于某一個值的時候，電子才會被打出來，剛好這個頻率的值落在了紫色的光範圍内，這就是為什麼赫茲做實驗的時候隻有紫顔色的光和紫光頻率以上的電磁波才能把電子打出來的原因。

1921年愛因斯坦因為完美解釋了光電效應問題而獲得了諾貝爾物理學獎，相對論還沒有得獎因為還沒有對應的實驗驗證。至此我們第二個問題光電效應和第三個問題黑體輻射都得到了很好的理論解釋。其實人類曆史上對于光的認識是波還是粒子一直争論不休。

最早給出系統理論解釋的是惠更斯說光是一種波，就像水一樣波動，還推導出了折射和反射定律，但是沒能解釋衍射。過了幾年，牛頓大神說這個光不是波是微粒，還有就是胡克也支持光的波動學說，他和牛頓一直不合。牛頓大神級别的人物太權威了，他提出的觀點維持了一兩百年，沒有人敢出來反駁。

直到19世紀初光的波動說才複活了，人們開始發現光的衍射，托馬斯楊做出了著名的雙縫幹涉實驗，菲涅爾（實驗和光學元件都冠有菲涅爾的姓氏，如：雙面鏡幹涉、波帶片、菲涅耳透鏡、圓孔衍射等。另一成就是偏振。他與D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的幹涉，确定了光是橫波（1821）；他發現了光的圓偏振和橢圓偏振現象（1823），用波動說解釋了偏振面的旋轉；他推出了反射定律和折射定律的定量規律，即菲涅耳公式；解釋了馬呂斯的反射光偏振現象和雙折射現象，奠定了晶體光學的基礎。）完善了惠更斯波動理論。一直到麥克斯韋預言光也是一種電磁波，波動說到了完勝階段。

突然愛因斯坦對光電效應做出了解釋，還提出光量子假說這似乎又在說光是一種粒子，是不是轉了個圈又回來了，其實光電效應剛做完解釋之後，也是沒有多少人認同，1921年提出，之後16年才得到的諾獎，這期間一直有很多人不相信的，比如美國的物理學家密立根，他就想通過一個實驗來證明愛因斯坦的光量子假設都是錯的，沒想到歪打正着，密立根通過實驗證明了光電效應的解釋是正确的。因此密立根獲得了1923年的諾貝爾獎。

這時候人們才不得不相信光既是波又是粒子，光具有波粒二象性。後面我們講到物質波和不确定原理，你會發現波粒二象性沒有這麼簡單，所以科學家現在還是争論不休。回顧一下你會發現巴耳末公式同樣有一個前提條件，n隻能取正整數,這會不會和普朗克的能量量子假說存在某種關系呢？還有就是第四個未解之謎原子的穩定性問題究竟是咋回事呢？下回分解（媽咪說-量子故事會語錄）

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