电子表现得像波

物理学家早就知道光是一种电磁波。直到今天，没有人怀疑这一立场，因为光清楚地展示了波动行为的所有迹象：光波可以相互重叠，产生干涉图样，它们也可以分开，沿着衍射时间绕过障碍物弯曲。

当我们看到一只走路像鸭子、游泳像鸭子、叫声像鸭子的鸟时，我们称那只鸟为鸭子。所以光线是 电磁波基于客观观察到的这种光波行为的迹象。

然而，在 19 世纪末和 20 世纪，物理学家开始谈论光的“粒子波二元论”。事实证明，光是电磁波的知识并不是科学对光的全部了解。科学家们在光中发现了一个非常有趣的特征。

事实证明，光以某种方式将自身表现为粒子流的行为。人们发现，光携带的能量在经过特定时间段的特殊检测器计数后，结果证明无论如何都是由单个（整体）部分组成的。

因此，光能是离散的成为事实，因为它可以说是由单个粒子组成的——“量子”，即能量的最小整体部分。这种携带单位（或量子）能量的光粒子被称为光子。

一个光子的能量可通过以下公式求出：

E — 光子能量，h — 普朗克常数，v — 频率。

德国物理学家马克斯·普朗克首先通过实验证实了光波的离散性这一事实，并计算出常数 h 的值，该常数出现在计算单个光子能量的公式中。这个值原来是：6.626 * 10-34 J * s。普朗克在 1900 年代后期发表了他的工作成果。

例如，考虑紫色光线。此类光的频率（f 或 v）为 7.5 * 1014 Hz 普朗克常数 (h) 为 6.626 * 10-34 J * s。这意味着光子的能量 (E)（紫色的特征）为 5 * 10-19 J。这是非常小的一部分能量，很难捕获。

想象一条山间溪流——它作为一个整体流动，肉眼无法看出溪流实际上是由单个水分子组成的。然而今天，我们知道宏观物体——流——实际上是离散的，即它由单个分子组成。

这意味着如果我们可以在水流旁边放置一个分子计数器来计算水流流动时经过的水分子，检测器将始终只计算全部水分子，而不是部分水分子。

类似地，在时间 t 计算的光子 E 的总能量图始终不是线性的（黄色图），而是逐步的（绿色图）：

所以，光子移动，它们携带能量，因此它们有动量。但是光子没有质量。那你怎么能找到动力呢？

事实上，对于接近光速运动的物体，经典公式p=mv根本不适用。要了解如何在这种不寻常的情况下找到动量，让我们转向狭义相对论：

1905年，阿尔伯特·爱因斯坦从这个角度解释了 光电效应……我们知道金属板中有电子，电子在金属板内部被带正电的原子核吸引，因此保留在金属中。但是如果你用特定频率的光照射这样的板，那么你可以将电子从板中击出。

就好像光的行为就像具有动量的粒子流。即使光子没有质量，它仍然以某种方式与金属中的电子相互作用，并且在某些条件下光子能够击倒电子。

因此，如果入射到金属板上的光子具有足够的能量，那么电子将被撞出金属并以速度 v 移出金属板。这种被击倒的电子被称为光电子。

由于被击出的电子具有已知的质量 m，因此它将具有一定的动能 mv。

光子的能量，当它作用在金属上时，转化为电子离开金属的能量（功函数），并转化为电子的动能，被击落的电子拥有它开始移动从金属中取出，离开它。

假设已知波长的光子撞击金属表面，而金属的功函数（来自金属的电子）已知。在这种情况下，可以很容易地找到从给定金属发射的电子的动能及其速度。

如果光子的能量不足以让电子执行功函数，那么电子就无法离开给定金属的表面，也就不会形成光电子。

1924年，法国物理学家 路易斯德布罗意 提出一个突破性的想法，据此 不仅光子，而且电子本身也可以表现得像波。 这位科学家甚至推导出了电子假设波长的公式。这些波后来被称为“德布罗意波”。

德布罗意的假设后来得到证实。 1927年美国科学家克林顿·戴维森和莱斯特·杰默进行的电子衍射物理实验，终于指出了电子的波动性。

当一束电子被引导通过一个特殊的原子结构时，探测器似乎应该将图像记录为粒子一个接一个地飞行，如果电子是粒子，这在逻辑上是可以预期的。

但在实践中，我们有一个具有波衍射特征的图像。而且，这些波的长度与德布罗意提出的概念完全一致。

最终，德布罗意的想法使解释玻尔原子模型的原理成为可能，后来又使埃尔温·薛定谔将这些想法推广开来，奠定了现代量子物理学的基础。