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光分子能量的复数表达

(2018-05-21 08:18:52)
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波粒二象性

光分子

在化学中,氢原子(H)是最小的可计量单位,但实际存在的方式却是由一对氢原子构成的氢分子(H2)。一般情况下,氢总是以氢分子的形式出现。如果想将氢分子拆分为独立的氢原子,是相当困难的事。

在物理学中,光子是最小的可计量单位,但实际存在的方式却是由一对光子构成的光分子。一般情况下,光总是以光分子的形式出现。如果想将光分子拆分为独立的光子,也是相当困难的事。

在我的《数学辩证法》一书中,据此提出了光的模型,完美地解释了光的波粒二象性。

所谓波粒二象性,就是一对相互纠缠的光子,即光分子,在围绕着对方旋转的同时,还以光速向前运动(图1)。由于运动的复合性,每个光子的运动轨迹就不是直线而是正弦曲线,或称“横波”。根据牛顿力学,由于离心力的作用,当旋转速度低时,两个光子相互距离远,在运动中形成长波(如红光);旋转速度高时,两个光子相互距离近,在运动中形成短波(如紫光)。

光分子能量的复数表达

 1     光的波粒二象性

光的构成是粒子,其运动轨迹(行为)是波,这就是光具有波粒二象性的根本原因,是光的本质。

反之,光具有波粒二象性这一事实表明,光的组成一定不是简单的球形粒子,不能被当作一个质点(有质量但不存在体积与形状的点)来处理,它一定具有特定的结构。

上述解释可以容易地解释光的诸多性质:颜色各异但光速一致、干涉现象、衍射现象、偏振现象、光电效应、量子纠缠等。(《数学辩证法》第160页)

质量、能量、波长、频率是光的重要参数,它们之间有着怎样的内在联系呢?

所示模型中,光分子的能量包括两部分:

1)以光速向前运动的平动能量E1

单个光子的质量为m,速度为光速C,其能量为 1/2mC 2

光分子不可分割,能量的最小单位是单个光子平动能量的2倍,mC 2,即

E1 = mC 2                                                           1

2)光分子围绕中心点作圆周运动所产的转动能量E2

量子力学表明,这部分能量的大小与光的频率有关,频率越高,能量越大,它可以用普朗克公式来表示

E2 = hv                                                             2

其中是普朗克常数,是光的波长。

爱因斯坦据式(2)提出了著名的光电效应公式

Ek = hv - Wo                                                       3

其中:E 表示光分子所具有的动能,W 为逸出功。

3)式表明:一束光能否产生光电效应,与这束光的颜色(即频率)有关,而与光的强度无关。一束很强很强的红光照到金属表面打不出任何电子,但一束极弱的紫光照到同样的金属表面立即就能打出电子。

在数量级上,光分子的平动能E比转动能E要大上几十个数量级,因此光分子的总能量可以方便、准确地用复数表示:在光分子总能量中占绝大部分比例的E是实部,占极少部分的E是虚部,

E = E1 + iE2                                                     4

将能量的表达式(1)和(2)代入(4),可得光分子的总能量表达式

E = mC 2 + ihv                                                  5

公式5)的实部是爱因斯坦质能方程式,是光和热的本质,物理学、化学中在宏观层面上研究的热能、热量就是这一部分。公式5)虚部是光分子极其细微的、几乎看不见的、几乎可以忽略的特殊能量,是量子力学的研究对象,是普朗克公式、薛定鄂方程的基础,在某种程度上恰好说明了薛定鄂方程中虚数的神秘来源。

光分子能量的复数表达                                   6

在人类历史上,公式(5)第一次给出了光分子总能量的正确表达式,它全面描述了微观能量与宏观能量之间的内在联系,将普朗克、爱因斯坦和薛定鄂的伟大发现有机地融为一体,加深了人类对光以及量子力学的认识。这一成就也反方面证明, 1 所给出的光模型是完全正确的。

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