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光(电磁波)

 

粒子还是波?

介质的在空间中的相对运动,随空间不同而有时间上的延迟便是波动。例如:一排拉拉队,由第一个开始陆续上下摆动手臂,邻近的人也跟着摆动但在时间上稍有延迟,依此类推便形成好看的波形。

 

早期人们所认识的波动,不论是声波或水波,都有介质作为传播的媒介。声波可以经由空气、液体或固体传播,但无法穿越真空,所以地球上所听到的声音都源自地球本身,于是很自然的认为波动都需要介质传播。 要不然没有『东西』摆动的『波』不是很奇怪吗?可是太阳的光线却可以穿过太空中的真空区域而传达到地球上。此时可以采取的一种作法是接受光是一种波动,但是这种波动并不需要介质传递,也就是需要修改原有的波动学说。

 

虽然虎克比较相信光的波动说,但是牛顿选择了另一种方式,认为光是一颗颗的粒子,从光源(如太阳处)快速的飞向地球。当光粒子进入眼中时便刺激眼球形成视觉。光束便是一连串行进中的粒子。由于牛顿在力学等其它方面的卓越贡献,使得『粒子说』兴盛近一世纪之久,可见科学家也有双眼朦胧之时。

 

直到1803年杨氏(Thomas Young)的干涉实验推翻了『粒子说』崇高的地位。光的干涉现象是波动说的最有利证据。但是光如果是『波动』,那么在太阳与地球间真空的区域内,是什么『东西』在振动使得光波能传达到地面呢?于是『科学家』创造了一个新的『怪物』-以太。它无所不在,在真空中『以太』的运动使的光得以前进。可是却不会影响星球或你我的运动,它几乎不和物质作用,否则地球或其它星球在庞大的『以太海』中运动,岂不是会逐渐慢下来。可是『以太』抵达眼睛时却又能刺激眼球产生影像。当时认为以太只是尚未被侦测到而已。

 

这样的想法又持续了将近百年。直到1887Albert A. MichelsonEdward W. Moley构想出测出以太和地球相对速度的实验,可是以当时精密的测量技术却怎么量就是量不出来。最后只好承认实验的失败。科学家终于觉醒了,推翻了当初所『构想』出来的怪物,原本失败的实验却是承认以太实际上并不存在的证明。于是科学家也只好接受『光』是一种特殊的『波』,一种不需要介质便能传播的『波』,至少这样的想法比起『以太』的模式简单的多。(这样算不算是一种锯箭法呢?)

 

现在我们说『光』的行为像是一种『波动』,为什么不直接说光是波呢?因为后来又有『光电效应』等实验,不得不以粒子(光子)的观点来解释,爱因司坦便是因为对『光电效应』的解释而获得1922年的诺贝尔物理奖的(可不是因什么相对论的贡献)。

 

光电效应

电子在金属内部可以很自由的游动,但是却无法自由的跑出金属外部,犹如被限制在围墙内的自由弹跳的球,由于能量不够大跳不过高高的围墙。但是若拿个物品狠狠『K』它一下,便有机会让电子(球)跳出金属(围墙)外。于是有人想用光去照射金属表面,观看金属内电子被照射后的行为。在高频的光线照射下电子比较容易被击出金属表面,可是当光的频率低于某特定值时,却是怎么照,照多久电子却都是跑不出来,可是只要是频率够高,即使很微弱的光照射也会有电子跑出来。(不同金属有不同的临界频率,对应于使电子逃脱金属表面的最低能量)而且当光照射到金属表面时,便有电子马上跳出来,不需时间的延迟。而且以频率越高的光照射,跳出来电子的动能也越大,且动能和频率间呈现线性关系。

 

光若是波动,不管高频与低频都携带能量,虽然低频的能量较低。但是照射时间越长应该可以提供的能量就越多,为何低频的光照时完全跳不出电子呢?且微弱的高频光为何一照射电子便即刻跳出来呢?不需要慢慢累积能量?当以波动的观点,详细计算后,必须照射光数分钟电子才可能获得足够能量的情形,实验结果却是光线一照射便有电子发射出来。

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