電子表現得像波

物理學家早就知道光是一種電磁波。直到今天，沒有人懷疑這一立場，因為光清楚地展示了波動行為的所有跡象：光波可以相互重疊，產生干涉圖樣，它們也可以分開，沿著衍射時間繞過障礙物彎曲。

當我們看到一隻走路像鴨子、游泳像鴨子、叫聲像鴨子的鳥時，我們稱那隻鳥為鴨子。所以光線是 電磁波基於客觀觀察到的這種光波行為的跡象。

然而，在 19 世紀末和 20 世紀，物理學家開始談論光的“粒子波二元論”。事實證明，光是電磁波的知識並不是科學對光的全部了解。科學家們在光中發現了一個非常有趣的特徵。

事實證明，光以某種方式將自身表現為粒子流的行為。人們發現，光攜帶的能量在經過特定時間段的特殊檢測器計數後，結果證明無論如何都是由單個（整體）部分組成的。

因此，光能是離散的成為事實，因為它可以說是由單個粒子組成的——“量子”，即能量的最小整體部分。這種攜帶單位（或量子）能量的光粒子被稱為光子。

一個光子的能量可通過以下公式求得：

E — 光子能量，h — 普朗克常數，v — 頻率。

德國物理學家馬克斯·普朗克首先通過實驗證實了光波的離散性這一事實，併計算出常數 h 的值，該常數出現在計算單個光子能量的公式中。這個值原來是：6.626 * 10-34 J * s。普朗克在 1900 年代後期發表了他的工作成果。

例如，考慮紫色光線。此類光的頻率（f 或 v）為 7.5 * 1014 Hz 普朗克常數 (h) 為 6.626 * 10-34 J * s。這意味著光子的能量 (E)（紫色的特徵）為 5 * 10-19 J。這是非常小的一部分能量，很難捕獲。

想像一條山間溪流——它作為一個整體流動，肉眼無法看出溪流實際上是由單個水分子組成的。然而今天，我們知道宏觀物體——流——實際上是離散的，即它由單個分子組成。

這意味著如果我們可以在水流旁邊放置一個分子計數器來計算水流流動時經過的水分子，檢測器將始終只計算全部水分子，而不是部分水分子。

類似地，在時間 t 計算的光子 E 的總能量圖始終不是線性的（黃色圖），而是逐步的（綠色圖）：

所以，光子移動，它們攜帶能量，因此它們有動量。但是光子沒有質量。那你怎麼能找到動力呢？

事實上，對於接近光速運動的物體，經典公式p=mv根本不適用。要了解如何在這種不尋常的情況下找到動量，讓我們轉向狹義相對論：

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦從這個角度解釋了 光電效應……我們知道金屬板內部有電子，電子在其內部被帶正電的原子核吸引，因此保留在金屬中。但是如果你用特定頻率的光照射這樣的板，那麼你可以將電子從板中擊出。

就好像光的行為就像具有動量的粒子流。即使光子沒有質量，它仍然以某種方式與金屬中的電子相互作用，並且在某些條件下光子能夠擊倒電子。

因此，如果入射到金屬板上的光子具有足夠的能量，那麼電子將被撞出金屬並以速度 v 移出金屬板。這種被擊倒的電子被稱為光電子。

由於被擊出的電子具有已知的質量 m，因此它將具有一定的動能 mv。

光子的能量，當它作用在金屬上時，轉化為電子離開金屬的能量（功函數）和電子的動能，被擊落的電子擁有該動能開始移動從金屬中取出，離開它。

假設已知波長的光子撞擊金屬表面，而金屬的功函數（來自金屬的電子）已知。在這種情況下，可以很容易地找到從給定金屬發射的電子的動能及其速度。

如果光子的能量不足以讓電子執行功函數，那麼電子就無法離開給定金屬的表面，也就不會形成光電子。

1924年，法國物理學家 路易斯德布羅意 提出一個突破性的想法，據此 不僅光子，而且電子本身也可以表現得像波。 這位科學家甚至推導出了電子假設波長的公式。這些波後來被稱為“德布羅意波”。

德布羅意的假設後來得到證實。 1927年美國科學家克林頓·戴維森和萊斯特·傑默進行的電子衍射物理實驗，終於指出了電子的波動性。

當一束電子被引導通過一個特殊的原子結構時，探測器似乎應該將圖像記錄為一個接一個飛行的粒子，如果電子是粒子，這在邏輯上是可以預期的。

但在實踐中，我們有一個具有波衍射特徵的圖像。而且，這些波的長度與德布羅意提出的概念完全一致。

最終，德布羅意的想法使解釋玻爾原子模型的原理成為可能，後來又使埃爾溫·薛定諤將這些想法推廣開來，奠定了現代量子物理學的基礎。