聊粒子-光子的发现

22 1月

光一直是物理研究的热门话题。人们陆续发现了光的直射,反射,折射,衍射定律后,惠更斯正式提出光的波动说。另一方面牛顿大神根据他的力学定律也提出了光的粒子说。所以光一直存在波动说和粒子说的争论,人们一直在研究光究竟是粒子还是波。甚至“光究竟是什么?”已经上升成了一个哲学问题。

直到量子力学的发展,人们终于意识到,这场对于光的波动还是粒子的争论注定是没有结果的。光既是粒子也是波,具有波粒二象性。但又不能同时存在,当你用波的测量方法测量时,光就显示波动性。用粒子的测量方法测量时,光就显示粒子性。就像硬币的两个侧面,你永远无法同时看到两面。

人们基本都接受了光具有粒子性,光子就是基本粒子,就差实验证明了。

最早证明光子存在的是美国的罗伯特.密立根(1868-1953)

物理学家有很多是半路转行学了物理,但密立根可能是转行跨度最大的一位。他大学在俄亥俄州的奥柏林学院学的是文史哲,没事还学学希腊语,就是个文艺青年。当时他们大学的预科班缺个物理老师,他的希腊语老师就建议密立根去教物理。密立根当时才大二,也是一脸懵逼,怎么想一出是一出,我都没怎么学过物理,怎么去教物理?但他的希腊语老师也是传销鬼才:物理这东西比希腊语简单多了,你连希腊语都学的好,物理你看几眼就会了,我看好你哟~ balabala一顿洗脑。密立根就这样稀里糊涂开始自学物理,从教预科开始走上了物理的道路。

当时爱因斯坦提出了光量子假说,密立根其实是支持光的波动说的,光怎么可能是粒子呢,就决定做个实验去证明爱因斯坦错了。结果实验数据证明了爱因斯坦的光电方程是对的,事实胜于雄辩,密立根只能接受了光是粒子的说法。正是这个实验也让爱因斯坦在1921年因为光电效应得到了诺贝尔物理学奖

密立根虽然没有因为证明光子存在获得诺奖,但他有个最著名的实验“油滴实验”。油滴实验是密立根最著名的实验,JJ汤姆森虽然发现了电子,但电荷量是估算出来的,油滴实验直接测量出了电子的质量和电荷量,因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖

密立根的实验已经很有说服力了,但康普顿的实验才算将光是粒子的说法板上钉钉。

当时已经证明频率较低的电磁波照射到金属板上能轰出电子,就是爱因斯坦的光电效应。康普顿(1892-1962)发现如果用频率高一点的电磁波,例如用X射线,照射到石墨上,会散射出两束不同频率的电磁波。一束和原来的X射线的频率相同,这容易理解,就是波的散射。散射不会改变入射波的频率。但另一束比原来的X射线的频率要小,而且频率的变化还和散射角有关,康普顿将其称为康普顿效应

这个结果用传统的波动理论是无法解释的。电磁波的波长和频率怎么可能会因为散射和反射而产生变化呢?这就好比我们能照镜子,是因为光射到镜子上反射回我们的眼球。如果反射后波长会变长,那镜子里的人就变红了,这违反常识。

但康普顿效应用爱因斯坦的光量子假设就可以很好地解释。其实就是光子和电子发生碰撞时损耗了能量,这就是初中物理的两个球弹性碰撞,光子和电子对撞了一下,光子减小了能量所以降低了频率。而且根据粒子碰撞的能量和动量守恒,还能得到散射频率改变和散射角的依赖关系。完美验证了光量子假说的正确性。

但还是有很多人质疑,认为是实验材料有问题,是因为石墨材质的问题导致了二次散射。这个时候康普顿的学生,我国的吴有训(1897-1977)先生站出来了,彻底证明了康普顿效应是真实存在的。

吴有训先生出生于一个小康家庭,出生时还是清朝。大学毕业于南京高等师范学校,原址就是现在的东南大学。毕业后留学美国,在芝加哥大学读研,师从康普顿。吴有训先生学习非常刻苦,天天泡在图书馆或实验室里。吴有训传里描述:“冬天他浑身的热气驱散了实验室里的寒冷,经常忘记吃饭,忘记睡觉,忘记写家书告慰父亲”。

有一次吴有训先生忙于实验,连续四个月没给父亲写信。父亲急坏了,打了四封加急电报。这事让康普顿知道后,一怒之下将吴有训先生赶出了实验室。让他现在就给家里写信,父亲没收到前不准回实验室。

既然有人质疑是石墨材料问题,吴有训先生就改良了实验设备,前后用了15种材料做同样的实验,都发现了康普顿效应,说明了康普顿效应的普适性。1925年吴有训先生还亲自去了哈佛大学,用你们的实验器材来做实验。当时来了不少著名物理学家,共同见证了吴有训先生实验的正确性。1946年的诺贝尔物理学奖得主布里奇曼主动上台和吴有训先生握手,说现在我是彻底相信康普顿效应的存在了。

1926年吴有训先生发表论文完美地阐述了康普顿效应,论文发表在1926年《物理评论》的顶通位置,康普顿效应终于被广泛认同,也彻底证明了光子的存在。

1927年康普顿因此获得诺贝尔物理学奖,其中有吴有训先生的功劳。

1926年末吴有训先生博士毕业后选择回国,先后担任清华物理系教授,国立中央大学校长,华东教育部部长,中科院近代物理研究所所长,中科院副院长等,也是中国物理学会创始人之一。后来的杨振宁,李政道,邓稼先都曾是吴有训先生的学生。我国第一个近代物理研究实验室就是吴有训先生在清华大学主张修建的,是中国物理学的祖师爷。

正是这些老一辈物理学家心系祖国,在国内条件困难的情况下,能将国外先进技术和理论引入国内,才有了我国现在物理学的成就。这些老一辈的物理学家我们是绝对不能忘记的。

2000年中国物理学会为纪念老一辈物理学大师,用胡刚复(1892-1966),饶毓泰(1891-1968),叶企孙(1898-1977),吴有训(1897-1977),王淦昌(1907-1998)五位名字命名了物理学奖。胡刚复物理学奖针对实验技术。饶毓泰物理学奖针对光学和声学,及原子和分子物理。叶企孙物理学奖针对凝聚态物理方面。吴有训物理学奖针对原子核物理方面。王淦昌物理学奖针对粒子物理和惯性约束核聚变方面。

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