关于光电效应的疑问（高分悬赏）
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分类: 教育/科学 >> 科学技术
问题描述:
1905年爱因斯坦在普朗克量子概念的基础上提出了光子理论，圆满地解释了光电效应。该理论认为，光在空间传播时，也具有粒子性，一束光就是一束以光速运动的粒子流．这些粒子称为光量子，简称光子。频率为ν的光的一个光子具有的能量为ε=hν，其中h为普朗克常数。光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。逸出的电子叫光电子。只有当入射光的频率大于等于极限频率的时候才能发生光电效应。
■光子照射电子的过程是碰撞么？
如果是的话，为什么当入射光的频率小于极限频率的时候不能发生光电效应？（每一次碰撞都会有能量传递给电子，那么如果多次碰撞都恰巧是使电子能量增加，那么电子总有逃出原子核束缚的时候吧）
如果不是的话，光子如何将能量传递给电子？怎么一次性传递给电子的？（从光电效应方程上看）传递后光子处于什么状态？
■爱因斯坦提出，在空间传播的光是不连续，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。那么这“一份”的质量是多少？
■光具有波粒二象性，那么波动说和粒子说有什么联系？
解析:
以下是个人观点：
1、光子与电子之间并非传统意义上的碰撞，而是能量的传播，形象一点就象太阳照在我们身上会发热一样的。关于你的想法，我认为可以这样比喻，当光子的频率较小的时候，其能量也小，我们用动能比喻。我们在太阳上用乒乓球去砸地球，当然很难给地球足够的动能以明显改变地球的运行轨道，当然你的意思是用无穷多的乒乓球来砸。不过毕竟我们的标靶很小，子弹再小也不可能形成足够的强度。
2、我们说光子的质量主要指其静止质量。这方面，各国科学家都在研究。主要有以下几个方面。
a、据英国New Scientist，2002，175（2359）：19报道，最近三位科学家的研究推测，早期宇宙时的光子是有质量的，约为千亿分之一克。 德国海德堡大学的普罗科佩克（T.Prokopec）和伦敦皇家学院的托恩克维斯特（O.T?觟rnkvist）在研究宇宙中所有星系都被磁场包围这一问题时认为，这些磁场可能是在宇宙开始快速膨胀时存在着带有质量的光子的遗迹。 大多数科学家认为，粒子的质量来源于至今尚未被发现的希格斯玻色子微粒。这种微粒分布在整个空间内，它们在某些粒子周围很密集，而在另一些粒子附近则很少，正是这种聚集的密度赋予粒子以质量，因此夸克很重，电子较轻，而光子没有质量。
现在，上述两位科学家与佛罗里达大学的伍达德（R. Woodard）合作，按照量子理论和暴胀宇宙学说推出，早期宇宙中光子之所以具有质量，其秘密在于浸透在整个空间内的真空能量。
按照量子理论，真空不是真的一无所有，而是充斥着从虚无产生的粒子对。正常情况下，这些正、负粒子对一出现立即碰撞而湮没，但在宇宙创生大爆炸后远远不到一秒钟的时间内发生了宇宙向外急剧膨胀（即所谓暴胀时期），此时成对的粒子能感受到暴胀的牵引，空间的快速膨胀将正、负粒子拉开得如此之远，致使两者不能互相湮没，从而充斥在空间内。 希格斯玻色子影响不了光子，那些带电的粒子却能够，但需比在正常情况下更多的能量才能在这些粒子海洋中产生一个光子，而粒子也被拉向光子，实际上，光子将获得10-11克的质量。在暴胀阶段停止后，伴随着此质量的额外能量将产生磁场，该磁场演化成为今天观测到的天体周围的磁场。
（源于bioon/popular/library/200406/48370）
b、现在的有关光子静止质量的理论是以相互作用理论为基础的。按照现代的观点，各种基本的相互作用都应当是满足规范变换不变性的。
之所以要求相互作用满足规范不变性，是由于在量子场论中存在着著名的发散困难，发散困难必须用重整化方法来解决，而重整化方法可行的条件就是理论必须满足规范不变性。但是，规范不变性是与规范场粒子静质量为0紧密联系在一起的。例如电磁场的规范不变性就是与光子的静质量为0直接相关的。
从理论上来讲，不仅电磁相互作用如此，其他相互作用亦是如此。强、弱相互作用如此，爱因斯坦所建立的引力相互作用理论——广义相对论亦如此，它们都是规范理论。在此基础上建立起来的弱电统一理论，70年代以来提出的将强、弱、电磁三种相互作用统一起来的理论都是规范理论，人们甚至设想把引力相互作用也纳入该理论中而建立起完全统一的理论。总之，规范理论已经成为物理研究中一个极重要的方向。
然而，1983年发现的W±、Z°粒子虽然证实了规范化的弱电统一理论的正确性，但实验却表明它们都具有静质量。解决这个困难的方法认为：那些规范场粒子本来的确是没有静质量的，现在观察到的质量是由于真空的对称性破缺引起的。也就是说，在原来的真空中这些粒子并没有静质量，但真空本身可以变化，在变化后的真空里它们表现出有质量。
物理上的真空事实上是由正、负粒子对构成的而非绝对的虚无。真空背景在一定的条件下会发生起伏，这种起伏称为真空极化。此时的光子就会和由于真空极化而产生的正、负粒子对发生相互作用，从而使光子的行为好像具有静质量。
在真正的真空中，光子是没有静质量的。在现在的物理真空里，光子是可以有静质量的。至于现在的真空如何由原来的真空演化而来，这在物理学中乃是一个最最基本的问题。
上述观点乃是一些理论设想，是否正确还有待于进一步的研究。
（源于：nsfz/ywj/wll/kejian/ShowArticle?ArticleID=636）
其实简单的从E=Mc2，动能1/2MC2，以及黑洞的万有引力能够吸住光子，可以知道光子一定有质量，我觉得这个质量不会很小很小。
3、楼上的回答很正确：宏观显示波动性,微观显示粒子性
问题描述:
1905年爱因斯坦在普朗克量子概念的基础上提出了光子理论，圆满地解释了光电效应。该理论认为，光在空间传播时，也具有粒子性，一束光就是一束以光速运动的粒子流．这些粒子称为光量子，简称光子。频率为ν的光的一个光子具有的能量为ε=hν，其中h为普朗克常数。光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。逸出的电子叫光电子。只有当入射光的频率大于等于极限频率的时候才能发生光电效应。
■光子照射电子的过程是碰撞么？
如果是的话，为什么当入射光的频率小于极限频率的时候不能发生光电效应？（每一次碰撞都会有能量传递给电子，那么如果多次碰撞都恰巧是使电子能量增加，那么电子总有逃出原子核束缚的时候吧）
如果不是的话，光子如何将能量传递给电子？怎么一次性传递给电子的？（从光电效应方程上看）传递后光子处于什么状态？
■爱因斯坦提出，在空间传播的光是不连续，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。那么这“一份”的质量是多少？
■光具有波粒二象性，那么波动说和粒子说有什么联系？
解析:
以下是个人观点：
1、光子与电子之间并非传统意义上的碰撞，而是能量的传播，形象一点就象太阳照在我们身上会发热一样的。关于你的想法，我认为可以这样比喻，当光子的频率较小的时候，其能量也小，我们用动能比喻。我们在太阳上用乒乓球去砸地球，当然很难给地球足够的动能以明显改变地球的运行轨道，当然你的意思是用无穷多的乒乓球来砸。不过毕竟我们的标靶很小，子弹再小也不可能形成足够的强度。
2、我们说光子的质量主要指其静止质量。这方面，各国科学家都在研究。主要有以下几个方面。
a、据英国New Scientist，2002，175（2359）：19报道，最近三位科学家的研究推测，早期宇宙时的光子是有质量的，约为千亿分之一克。 德国海德堡大学的普罗科佩克（T.Prokopec）和伦敦皇家学院的托恩克维斯特（O.T?觟rnkvist）在研究宇宙中所有星系都被磁场包围这一问题时认为，这些磁场可能是在宇宙开始快速膨胀时存在着带有质量的光子的遗迹。 大多数科学家认为，粒子的质量来源于至今尚未被发现的希格斯玻色子微粒。这种微粒分布在整个空间内，它们在某些粒子周围很密集，而在另一些粒子附近则很少，正是这种聚集的密度赋予粒子以质量，因此夸克很重，电子较轻，而光子没有质量。
现在，上述两位科学家与佛罗里达大学的伍达德（R. Woodard）合作，按照量子理论和暴胀宇宙学说推出，早期宇宙中光子之所以具有质量，其秘密在于浸透在整个空间内的真空能量。
按照量子理论，真空不是真的一无所有，而是充斥着从虚无产生的粒子对。正常情况下，这些正、负粒子对一出现立即碰撞而湮没，但在宇宙创生大爆炸后远远不到一秒钟的时间内发生了宇宙向外急剧膨胀（即所谓暴胀时期），此时成对的粒子能感受到暴胀的牵引，空间的快速膨胀将正、负粒子拉开得如此之远，致使两者不能互相湮没，从而充斥在空间内。 希格斯玻色子影响不了光子，那些带电的粒子却能够，但需比在正常情况下更多的能量才能在这些粒子海洋中产生一个光子，而粒子也被拉向光子，实际上，光子将获得10-11克的质量。在暴胀阶段停止后，伴随着此质量的额外能量将产生磁场，该磁场演化成为今天观测到的天体周围的磁场。
（源于bioon/popular/library/200406/48370）
b、现在的有关光子静止质量的理论是以相互作用理论为基础的。按照现代的观点，各种基本的相互作用都应当是满足规范变换不变性的。
之所以要求相互作用满足规范不变性，是由于在量子场论中存在着著名的发散困难，发散困难必须用重整化方法来解决，而重整化方法可行的条件就是理论必须满足规范不变性。但是，规范不变性是与规范场粒子静质量为0紧密联系在一起的。例如电磁场的规范不变性就是与光子的静质量为0直接相关的。
从理论上来讲，不仅电磁相互作用如此，其他相互作用亦是如此。强、弱相互作用如此，爱因斯坦所建立的引力相互作用理论——广义相对论亦如此，它们都是规范理论。在此基础上建立起来的弱电统一理论，70年代以来提出的将强、弱、电磁三种相互作用统一起来的理论都是规范理论，人们甚至设想把引力相互作用也纳入该理论中而建立起完全统一的理论。总之，规范理论已经成为物理研究中一个极重要的方向。
然而，1983年发现的W±、Z°粒子虽然证实了规范化的弱电统一理论的正确性，但实验却表明它们都具有静质量。解决这个困难的方法认为：那些规范场粒子本来的确是没有静质量的，现在观察到的质量是由于真空的对称性破缺引起的。也就是说，在原来的真空中这些粒子并没有静质量，但真空本身可以变化，在变化后的真空里它们表现出有质量。
物理上的真空事实上是由正、负粒子对构成的而非绝对的虚无。真空背景在一定的条件下会发生起伏，这种起伏称为真空极化。此时的光子就会和由于真空极化而产生的正、负粒子对发生相互作用，从而使光子的行为好像具有静质量。
在真正的真空中，光子是没有静质量的。在现在的物理真空里，光子是可以有静质量的。至于现在的真空如何由原来的真空演化而来，这在物理学中乃是一个最最基本的问题。
上述观点乃是一些理论设想，是否正确还有待于进一步的研究。
（源于：nsfz/ywj/wll/kejian/ShowArticle?ArticleID=636）
其实简单的从E=Mc2，动能1/2MC2，以及黑洞的万有引力能够吸住光子，可以知道光子一定有质量，我觉得这个质量不会很小很小。
3、楼上的回答很正确：宏观显示波动性,微观显示粒子性
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