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分子(或原子)发光时间的计算

来源:未知 作者:佚名 时间:2019-09-07 阅读: 类别:世俗评说
  一、前言:
  光学的系统研究已经几百年了,从牛顿的微粒说、惠更斯的波动说,到麦克斯韦的电磁说、爱因斯坦的光子说以及波尔的互补原理解释的粒子的波粒二象性学说,诠释了这一过程的历史。现代物理学完全否定了牛顿和惠更斯的学说,一半一半地肯定了麦克斯韦和爱因斯坦的学说。按照通常理解波动性与粒子性是矛盾的,然而波动性与粒子性又不会在同一次测量中出现,所以科学家们似乎能接受这些矛盾的东西。首当其冲的是量子力学的领导者玻尔,他说:“一些经典概念的应用不可避免的排除另一些经典概念的应用,而这‘另一些经典概念’在另一条件下又是描述现象不可或缺的;必须而且只需将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起,才能而且定能形成对现象的详尽无遗的描述”。我们看到了波粒二象性的描述,原来是因为粒子性和波动性不会在实验中直接冲突而被接受下来。显然科学家们虽然接受但也是无可奈何的。当然也有人认为,互补原理是从哲学高度概括了波粒二象性。后来,海森伯研究了不确定关系,又从数学上表达了物质的波粒二象性。这样互补原理与不确定关系就被称为是量子力学哥本哈根解释的两大支柱。
  物质的波粒二象性也许正确,但光未必。因为过去的实验由于条件的限制(或手段的有限)人们无法用经典理论去解释,所以就派生出一些其它的解释,甚至是古怪的解释,也许光的实验正是如此。今天我们研究的是光到底是怎么一回事,希望还原于光的本性。明确地说,如果我们确定光只有电磁的波动性,而完全否定光的粒子性,那么光的波粒二象性就应该完全抛弃了。
  那么,为什么说光不是粒子?我们先看看光子说的概念:爱因斯坦的光子说认为,光以能量E=hγ(γ为频率,h为普朗克常量、)动量P=h/λ=hγ/c在空间传播,光是不连续的而是一份一份的,每一份叫做一个光子。显然这没有说光就是粒子。过去的人们之所以把光在某些特定的场合看成是粒子,原因是两个实验。一个是爱因斯坦能“解释”的光电效应,另一个是康普顿散射实验。
  这个光电效应过去用经典理论无法解释。经典理论认为,按照波动理论,光的能量应该与光波振动的振幅(宏观表现就是发光强度)成正相关,则不管用什么频率的光,只要发光强度足够大,绝对可以产生光电效应的。过去的实验频率低的强光没有产生光电效应,由此有了一个截止频率的问题。爱因斯坦解释了过去的光电效应实验,才有了光的粒子性的说法。但是,现在用激光做实验发现,其实没有截止频率的问题。几个频率小的激光可以把截止频率较大于光频的金属表面的电子打出来。没有截止频率就应该抛弃光的粒子性。
  问题是,为什么低频激光也能能产生光电效应而一般光就不行?对一般光而言,因为一个原子的放光是极其短暂的。各个原子发的光看起来是连续的,其实是完全不连续的。各个片段光且引起的电子震荡是可以相消的(注,现在光的照射还可以降温),所以没有效应。可激光就不一样了,它是相干的,各个光步调一致,电子能获得足够的能量产生光电效应。可见经典理论的电磁说完全可以解释光电效应,而无须用光是粒子来说明。
  而康普顿散射实验,是因为用了粒子的动量能量守恒而加强了光的粒子性说法。其实这个说法是最欠缺的。因为电磁波本来就有动量能量,电磁波和别的粒子相互作用当然满足能量动量守恒。实验室把光看成是一个粒子,仅仅是计算方便而已,并不能证明光的粒子性。另外还有一个肯定粒子性的重要的理由是,散射电子发出的二次光,按经典电磁理论应该和原先的光是一样的频率,事实上二次光的频率随散射角而改变,因此否定了电磁说。其实我们并不知道原“光子”究竟有多长(指有多少个波长),如果原“光子”连10个波长都不到的话,那么按经典受迫振动理论,二次光不可能为原光的频率,只能是以数学上周期性方法而分解的傅立叶光学的东西。康普顿散射有新的光的出现,这暗示我们做实验的X光的长度可能只有几个波长。本文正是要探索这个问题,希望还原电磁波的光的本性。如果原光真的只有几个波长,而实验又得到了二次光的康普顿规律,这只能告诉我们,只有用电磁波理论才能解释。这样,康普顿实验恰恰证明光的波动性而非粒子性。
  关于“光子”有多长,我们先做个估计:现在计算10飞秒钛宝石激光器的光的长度的上限和该激光最亮波长的比值。数据:该激光器的最亮的波长为563nm。(注:计算上限是假设前后就只有一个光子的情况。)
  光子长度L=cxt=3x108x10x10-15m=3x10-6m=3000nm。
  其比值为N=L/r=3000/563=5.33
  如果该激光器在一个脉冲时间里有前后有10个“光子”,那么让这个激光做康普顿散射,一定会出现二次光的规律。
  还有一点要说明的是,如果一定要说光有粒子性,那只能勉强地说是在真空中的运动中。因为由狭义相对论,以光速运动的物体,在运动方向的长度为零。这样光好像是一个有质量的点粒子,其波长也变成了秉内涵,当光和物体作用时速度不是真空中的光速了,此时它才有波的含义,波长也显示了出来。所以说,过去认为“运动过程体现波动性,和物体作用体现粒子性”的说法是错的,正好搞反了。
  想了解光的长度,就必须了解原子或分子或原子核能级跃迁的时间。这个能级是体系的不一定是电子一个粒子的。目前我们无法从原子或分子或原子核内部去了解发光时间,因为他们的结构我们并不清楚。就算是氢原子电子是波尔的轨道(我的理论并不是),电子是直线跳跃,还是绕核几圈到新轨道,这无法知道。而按照量子力学电子云的观点,我们也是无法计算原子能态改变时电子的跃迁时间。所以我们放弃内因计算,只能寻求外在的关系。这里我们利用光在介质中的速度。因为我们认为,光之所以在介质中变慢,是因为电磁波和介质作用了。这就是把光在介质中的运动时间,看成是光的运动和光被介质吸收和发射的总时间。显然时间是变大了所以速度要减小。温度相同的同种材料的介质如果密度大,作用次数就多,时间就更大,所以光速就更慢。因此我们就可利用介质中的光速,来简便地计算该介质的发“单光”的时间。
  为此我们假定:光在介质中传波的过程是介质分子或原子对光不断吸收和发射的过程,这过程不改变光的频率。这里需要做几点说明:1、密体(固体液体和高压等离子体)介质和低温稀薄气体发光性质是不一样的。前者发光是连续光谱,如烧红的铁水光谱,太阳光谱后者是明线光谱。这就告诉我们如果介质是连续光谱的介质,由于能级有太多太多,因此总有能级差和入射光的能量相同,它们因此首先相互作用(相当于共振),所以频率不变。对应稀薄气体,一般少有对应的能级差(还是有一点的,由于分子的热运动,概率极少的几个分子在一起形成密体),所以光和介质发生的作用很少,因此光速变化不大。2、由于分子的热运动,使得原子的核外电子和光相遇的位置是不同的,这可能会影响光的相位和偏振,但在计算发光时间时,这是极次要的因素,我们忽略不计。因为介质空间其实是真空和原子核及电子的空间,真空还是主要的。所以光在介质中的传波主要依然是在真空中的传波,光之所以速度要比真空慢,是因为介质分子吸收和发射光之需要时间。我们的计算是根据光在介质和真空的速度差异来计算的。
  二计算:
  为简单起见,我们来计算标准水(或氢原子)的发光,考虑的是光在水中的速度。由于各种色光在水中的波速度是不一样的,我们这里笼统地计算,不做详细的考虑。
  设光在标志状态下的1mol水里运动,水是正立方体的,其体积为1.801x10-5m 3,边长L=2.62123x10-2m。现在计算光走这段距离在真空中和在水中的时间差,并且认为这个差值就是因为光在原子吸收和发射引起的。光在真空里运动的时间为
  t=L/c
  而光在水里运动的时间为
  t、=L/v
  所以,光走这段距离在真空中和在水中的时间差为
  n=c/v为水的折射率。1mol水的分子数为N。=6.02214x10^23个。在L长度里分子数排立是该数的立方根,即
  N= =84446866个,
  所以光在分子或原子吸收和发射的总时间为
  τ=∆t/N=L/Nc (n-1)=(2.62123×10^(-2) (1.3333-1))/(2.99792458×10^8×8.4446866×10^7 ) s=3.449×10^(-19) s               (1)
  这是粗糙的计算,因为没有考虑各种因素(如色光的折射率是不同的)的影响。如果发射时间和吸收时间相等,我们得到水分子或原子发光时间为0.1725阿秒。
  注意,对于不同的色光,发光时间是不同的。从原因上讲,它们是不同能级跳跃的结果,自然发射时间是不一样的,自然反映在折射率上是不同的。在玻璃内紫光的折射率为1.532,红光是1,513。它们的发射时间可以相差3.7%。
  三说明:
  1、 由于各种光在介质中的折射率不同,所以介质里的原子发光时间有比较大的变化。以晶体石英为例,真空中波长为2000埃和20000埃的折射率分别为O光1.64943,e光1.66237和O光1.51158,e光1.5195。o光相差26.946%,e光相差27.501%。原因是分子或原子能级差不同,发光的频率就不同,发光的时间必然不同,在介质中的表现就是光传播的时间被延迟,引起了速度的变化,因而折射率也就不同。
  2、o光和e光也有差别,说明发光原子在发光时位相(电子轨道和位置)不同,产生了偏振光,该偏振光在介质中是要寻找对应的介质原子的位相才被吸收和发射。由于热运动这种接触的位相和时间会略有改变。也正因为这样,光的旋光性因此产生。我们知道物质的旋光性不会是介质原子自身发的电磁波来影响外电磁波的,因为电磁波不是粒子,相遇后是互不影响的。由此介质的旋光性也就说明了,光在介质中的传播是次波次第传播的。
  3、 原子核发光,理解成主要是中子发光。我的理论认为,中子是核外电子极近核的“氢原子”,在核里电子是几个质子共有的,是一种动平衡状态。原子核在高能态向低能态过度是中子的电子(就是核里的共有电子)轨道的调整,近似于中子的电子椭圆轨道向圆轨道的变迁(实际上应该是扁椭圆变成圆椭圆)
  4、如果介质里面没有和传光频率相对应的能量的能级差,就不存在吸收和再发射的过程(可能有微扰感应)此时分子对光波的延迟时间极短。以真空589.3nm为例,在标志状态下,氢气对它的折射率为1.000132,1mol氢气的有效长度L=0.281892m代人式(1)计算可得7.344x10-23s,同理氮气16.47x10-19s,二氧化碳24.93x10-23s。原子核也应该有这样的情况,这里略。
  5、意义:发光时间的计算也就是“光子”长度的计算,这意味光是有结构的,现在已经有实验告诉我们,光子形状影响光和物质的相互作用(导读: 新加坡国立大学量子技术中心(CQT)的科学家揭示出光子的形状会影响到其被单个原子的吸收过程。他们表示这个发现意义非凡,这表明光子的能量亦即波长不再是确定光子行为的唯一因素。)标志着光子的粒子性破灭,光就是电磁波,没有波粒二象性。既然没有粒子性,就没有光子的叠加态,量子力学的基础完全动摇。量子理论应该回归到爱因斯坦的隐变量理论,微观世界也应该是决定论的,即客观世界的定域性和实在性。

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