量子力學2：赫茲無意中發現了光電效應
2020-07-11 宇寧語錄這回說一說物理學當時的第二個未解之謎光電效應，先來介紹一下當時物理背景，在19世紀之前這個物理力學的發展已經很完美了，也就是我們現在很熟悉的牛頓力學，幾乎可以解決我們生活當中的絕大部分的力學現象和問題，當然也有一些未解之謎，比如金星的近日點進動問題，後來被愛因斯坦的相對論解決了。
但是當時那個電磁學的發展一直很緩慢，電磁學系統的建立要得益於兩個人，那就是法拉第和麥克斯韋，這兩位可謂是忘年之交，我們的故事就要從這兩人說起，麥克斯韋搞了一套方程組，還出了一本書，就叫電磁理論，這書裡邊兒描述了電磁波的各種性質，還通過這個公式計算出了電磁波的傳輸速度，物理學就是這樣，一個理論先建立起來了，但最後必須得有這個實驗作為依託，換句話說你就是要經得起測量，法國數學家龐加萊就曾經說過，一切不能測量的理論，都不能納入自然科學，還不僅是物理理論數學理論也是如此。
但是當時誰也沒見過電磁波兒，所以有一少部分人認為電磁波這個理論看看就行了，電磁波的東西還不一定存在呢，絕大部分人還是都相信這個電磁波是存在的，不過他們認為電磁波是一種超距作用。所謂超距作用就是不需要時間，就像遊戲超時空閃現一樣的嗖的一下就過去了，所以當時基本上是分為兩派，一派是擁護麥克斯韋的這套理論，另外一派認為電磁波是超距作用，背後主要有兩個大佬，其中一個是威廉·愛德華·韋伯，另外一個就是亥姆霍茲，這兩個人都是響噹噹的人物，當時亥姆霍茲是一名教授，平時還得帶學生。歐洲的教授是很有聲望的，一個學校就只能有一個教授，1879年的時候亥姆霍茲就向當時柏林普魯士科技研究院提出一個懸賞，說誰要是能夠證明或者證偽麥克斯韋的這套理論，就賞他100杜卡特，杜卡特是當時一種貨幣大概是3.5克的金幣，按照現在的金價換算，100杜卡特也就是十幾萬塊錢，然後亥姆霍茲就跟他一個學生說你考慮考慮這個懸賞，看能不能從實驗當中找一找電磁波，順便看看這個電磁波是不是超距作用，他這個學生就是我們第二個故事的主人公。
他就是後來大名鼎鼎的赫茲，大家再熟悉不過了頻率的單位Hz，1887年赫茲做了這麼一個實驗。
雖然在現在看來這個實驗器材是很簡陋，但是憑藉赫茲優秀的動腦和動手能力還真發現了電子波，他搞了一個發射器，現在我們叫做直線型開放振蕩器，再找兩個銅球做電容，然後往這裡面兒不斷的充電，這兩個銅球中間有一段間隙，赫茲通過學習的知識斷定當電容充電達到一定程度的時候，銅球間隙中的空氣就會被擊穿產生電火花。
如果這段大家沒聽懂的話沒關係，你只要知道這個間隙可以產生電火花，電火花可以產生電磁波。接著赫茲又做了一個接收器，實際上就是一個金屬圓環，金屬圓環上同樣有一個很小的間隙，把這個金屬圓環放在遠處，如果發射器電火花產生了電磁波，根據麥克斯韋理論電磁波就會通過空氣傳播到這個金屬圓環，也就是接收器，然後在接收器的間隙上就會同樣的打火花。赫茲就開始觀察，他把所有的門窗和電燈關掉，因為需要在黑暗情況下才好觀察，果然赫茲發現了電火花，這是歷史上第一次通過實驗證明了電磁波的存在。
然後他又通過這個別的辦法證明了這個電磁波是一種波，電磁波的傳輸需要時間不是瞬間閃現，也就是不是超距作用。那赫茲自己的老師亥姆霍茲就是錯了，麥克斯韋是正確的，於是他就給亥姆霍茲寫了封信寄過去了，說老師我其實對麥克斯韋理論不感興趣，實驗能成功要感謝您的諄諄教導。
咱們說到這兒好像跟這個光電效應也沒什麼關係，物理規律的發現都極具偶然性，赫茲做實驗的時候，因為他得在一個暗室的情況下才能觀察清楚接收器上的電火花，在白天發射器裡邊兒不停地打火花，明亮的光線會對觀察造成影響。赫茲想找一個箱子把這個接收器罩上，透過一個小孔再看這樣不就能看的更清楚嗎？於是他就找了一個塑料罩把金屬圓環罩上了，之後發現產生的電火花不僅沒變亮反而更弱了，赫茲憑著物理學家的直覺，就覺著肯定是發射器那邊射出什麼東西來了，對接收器有影響，現在被罩子遮擋屏蔽了，所以才會造成火花減弱現象。
這個罩子不是金屬的，因為金屬會屏蔽電磁波。於是他就試了不同材質的罩子，當用到石英罩子的時候發現沒有影響到電火花的強弱，然後他把發射器裡邊兒的光拿一個三稜鏡給它分散開來，每種顏色的光挨個兒進行實驗，結果發現只有紫色的光以及紫色頻率以外的光才會對接收器上的火花造成影響，於是赫茲就給這種現象起個名兒就叫光電效應吧！
為啥石英的影響呢，我們現在知道因為紫外線可以透過石英材料，所以紫外線燈的燈罩都是石英玻璃的，但直到1897年湯姆生發現了電子，人們才知道紫外線打在金屬表面會把電子打出來，再想想赫茲當年做實驗，不就是因為紫外光照到接收器的間隙上，使得這個電子躍遷更容易，所以電火花才更明顯。
光電效應主要是說什麼呢？能不能打出來電子和光照強度沒關係，只跟光照頻率有關係。也就是說光再亮就算使用雷射，它的頻率低於某個值就打不出來電子，光再弱只要頻率高於某一個閾值也能打出來電子，當然這個閾值和金屬材料有關係。
完了，經典物理學家又懵了，按照經典物理學的解釋，光的能量是和光強有關的，怎麼又和頻率扯上關係了呢？這就成了當時擺在經典物理學面前的第二個未解之謎。
我們再回頭看一看這幾位物理學家麥克斯韋是1831年出生在英國，1864年的時候也就是麥克斯韋33歲，他給出了電磁場的一般方程，也就是我們現在看到的麥克斯韋方程組的前身，當時這個方程可沒那麼簡單，方程式有20個未知數20個方程，就算是化簡一下也有八個方程，不過還是很厲害，很可惜1879年48歲的麥克斯韋英年早逝，去世的時候很鬱悶，因為幾乎沒人認同自己的理論，也沒有實驗為之證明，有一種知音難覓的感覺。
那年赫茲剛22歲，八年之後赫茲30歲通過實驗證明了電磁波的存在。不僅如此赫茲在這之後把麥克斯韋方程進行了修改，幾乎同時英國還有另外一個人叫做亥維賽他也修改出了相同的結果，也就是我們現在所看到的麥克斯韋方程組四個方程了。所以有好段時間麥克斯韋方程組就叫赫茲亥維賽方程組，也算是完成了麥克斯韋的遺願，可是天妒英才赫茲37歲就死於敗血症，很可惜赫茲要是能多活幾年的話，諾貝爾物理學獎是肯定沒問題的。
第一個諾貝爾物理學獎是1901年的頒發給發現X射線的倫琴了，諾貝爾獎頒發的時候你人一定要在世不能追加，所以赫茲很可惜就差了幾年，不過赫茲的侄子是諾貝爾物理學獎獲得者也是和量子論有關，赫茲的侄孫創立了超聲影像醫學，我們今天醫院用到B超就是應用之一，我們到醫院這麼方便的檢查身體內部情況還得感謝赫茲的侄孫。赫茲發現了電磁波並且逐步完善了電磁波理論，自此就發展成了物理學的三大支柱之一：經典力學、經典電動力學和經典熱力學，直到19世紀末，科學家就覺得物理學已經可以統治全世界了，力、熱、電、光、磁該解決的問題都解決了，所以麥可遜也就是麥可遜-莫雷實驗的那位，在19世紀末說咱們現在物理學大廈已經基本建成，後人也就是在我們的基礎之上小數點後面修修補補罷了，後面我們會講到黑體輻射，你就會發現問題遠遠沒有這麼簡單。（媽咪說-量子故事會語錄）
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教師招聘-光電效應講解解析
但到20世紀人們發現了一些新的現象，這些無法用波動說解釋，於是人們又提出了波粒二象性的學說，波粒二象性是怎麼提出來的呢?康普頓效應和光電效應。一.光電效應實驗1.赫茲(麥克斯韋提出麥克斯韋方程組，並預言了電磁波的存在後麥克斯韋就去世了。赫茲用實驗證實了電磁波的存在，不僅如此赫茲還發現另外一個現象即當一定頻率的光照到金屬板上金屬板會有電子溢出)。 -
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如果你對量子力學不感到困惑，說明你根本不理解量子力學
首先要說的，量子力學為什麼存在？赫茲做的實驗。證明了電磁波的存在，證明了麥克斯韋的正確與偉大。似乎證明了光其實是一種電磁波的存在。具體的實驗似乎是赫茲在房間的一角製造了電磁波。光電效應的現象。卻又讓人們只能把光當成一種粒子來對待：光電效應指的是，光照在金屬上面，會打出電子。然而人們發現奇怪的是，光打出的電子的能量高低，和光的強度無關，而與光的頻率有關。 -
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量子力學 首先要說的，量子力學為什麼存在？就像牛頓為什麼發現萬有引力呢？量子力學的起源。源於我們很熟悉的一個物理問題---光是波，還是粒子。 這個問題斷斷續續的持續了幾百年的紛爭。 最早的科學家。