通过让电荷摆动(事实上是让电子做加速运动),最终可以形成电磁辐射。如果我们把经典的波行为(比如,弹吉他时琴弦振动所发出的声波)的统计规律应用到这里,结果就是,加速运动的电子会产生大量短波长的电磁波,却极少有长波长的电磁波。
普朗克找到一种解决这个问题的方法,即假设辐射只能以一定大小的量(量子)进行。每个辐射量子的能量与它的波长成反比。按这种描述,短波长的量子比长波长的量子所带的能量多得多。量子所携能量与其波长间的关系取决于一个常数,现在称为普朗克常量,它可以通过实验来确定。对于一个特定的量子来说,它所携带的能量等于普朗克常量除以波长。
如果我们加热物体,使大量的电子一起振动,只有少数的电子获得足够的能量并生成高能、短波的量子,因此只会释放少量的高能辐射。而大部分的电子有足够的能量生成中等波长的中等大小的量子,由此产生大量的中等能量的辐射。尽管有很多电子有足够的能量生成低能、长波的量子,但是由于每个量子仅贡献微小的能量,所以只会释放很少的低能辐射。
普朗克用适当的统计方法把这些不同能量的辐射合在一起分析,他发现发热物体辐射出的能量大部分位于波长的中波段,而在短波段和长波段的能量很少。随着物体的温度升高,有更多的电子获得足够的能量生成更短波长的辐射,这样平衡点会发生变化,能量辐射的峰值会向更短波长的一端移动。在现实生活中我们可以看到这样的现象:烧成红色的拨火棍比烧成橙色的拨火棍温度要低,而红色光比橙色光的波长要长。
普朗克的思想成功地解释了发热物体电磁辐射的本质,以及随着物体温度升高颜色会如何变化。由于“光是一种电磁波”的观念已根深蒂固,以至于刚开始没有人能接受每个光量子(我们现在称其为光子)本身是一个实体的观念。这种观念认为,有某种限制使得原子和电子只能辐射出一定能量大小的光,而不是说光仅以一定大小的量存在。
在这方面,我最喜欢拿银行的自动取款机打比方。取款机吐出的钱只能是10英镑的整数倍,比如,我们可以取20英镑、60英镑,或是任何等于10的整数倍的款额(要是银行卡和取款机里没有足够的钱,那就甭想了)。但是我们不能取出像27.43英镑这种数额的钱,哪怕银行卡和取款机里的钱再多也没用,因为机器不能以这种方式工作。同样的道理,20世纪初期,物理学家认为电磁辐射可以任何波长、任何能量的方式存在。但就原子发射的每一特定波长的光而言,其能量必须是某个能量单位的整数倍。
在此后的25年里,科学家逐渐清楚地认识到,在某些情况下,应把光的量子(光子)视为实体,简单地用电磁波的观念无法阐释每一种情况。让我们把自动取款机的比喻引申一下,钱实际上是一个量化的单位,钱的基本单位是便士,你手中的钱绝不可能是241.378便士(单指现金而言),而只能是241便士或242便士。关键是钱的单位很小(钱的“量子”为便士),以至于我们会觉得存在任何数目的钱。
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