傅统先全集：辐射粒子论简介

十七世纪牛顿曾一度的力争辐射粒子之论，然为胡津氏等实验之雄辩所打倒。波动论虽似完备然仍不免于种种极大之困难，故二十世纪之初乃有辐射粒子论之重整旗鼓。但是新粒子论并不仅是牛顿之复兴，而是其矫正，其发展。以辐射为粒子之理论现代名之曰量子论（quantum theory），蒲朗克始创之。

辐射是在以太里面的波浪吗？辐射是电磁场的震动吗？那末将何以解释温度之均衡？将何以解释于不同之温度下各种波长所蕴蓄能力之支配？将何以解释黑体之辐射？读者对于这几个问题恐怕不十分明瞭，所以我先说明何谓温度之均衡，黑体之辐射，及温度与能力之支配。这几种实验现象是波动论的当头棒，量子论的开山斧，其重要可知。兹分别略述之，以明其演进。

一、温度之均衡 我们可以实验一件五彩花卉的瓷瓶。在一间普通温度的房间里面有一部分花卉是黑的。假使把这花瓶在火里烧得通红，再放在一间很亮的房里面，那一部分黑暗的花卉亦是显现得很黑的。但是若是把这烧红了的瓷花瓶放在黑暗的房间里面，那末那一部分黑暗的花纹就反要显得很明亮的。因为放射物在亮的房间里面把光亮全吸收进去了，而使黑暗之花纹显得更黑；在暗的房间里面把所蓄之能力全发射出来而使黑暗之花纹转亮，即此事实乃证明凡能吸收很多放射能力之物体必能发射很多之能力。所以一件东西放在房间里面其温度必与房间中之温度均衡。假使这件东西热度较高则必散发至满室，假使它较低则必吸收室内之温度，务使其吸收与射发之程度相等而温度得以均衡。

但是波动论的理论与这个实验完全相反。譬喻一个垂直的摆二面摆动，结果必使摆上之能力逐渐消失于空气中以致使之停摆。一只轮船激起两旁波浪，假使机器停顿了，其余之能力逐渐散发于水中以致轮船不能前进，波浪停息。这是波动的理论。那末同样辐射在以太里面的波浪将逐渐消失或射发其能力以致其所激之光波亦将停息。其结果则所有之能力尽入于以太中，而一切物体将成为绝对零点之温度。但是上面所说的实验非但不能与波动论一致而且相反。物体非但射发一切的能力，而且不断的吸收外面的能力。良好的吸收者亦即良好之射发者。这是波动论所不能解释的困难。故温度之均衡不能以波动论说明之。

二、黑体之辐射 所谓黑体就是能够完全吸收所受的放射能力的物体。照克希荷夫（Kirchhoff）的律则能吸收最多能力的物体其所发射之能力亦最多，故黑体热至发白的时候，其所放射之光必较其他同一热度下之物体为亮。黑体因之乃成为标准的放射物。然而没有一件天然物体是完全黑体的，故必做一人工的黑体以备实验。用不透明的包皮做成一个空洞的圆球，里面充满着射线。如果在此圆球的不透明的包皮上开一个小孔，由里面射出的光线就和我们理想黑体所发生的光线一样。从这射出的光线上我们得许多有兴趣的结果。从黑体之辐射的实验所得的结果为：最长的波浪有极小的能力。当波长渐次缩短，则其能力逐渐增加。当波长减短某种限度时其能力已达最高之顶点。如波长超过此限度而继续减短，则能力反缩退减少，至波长减短到极短的程度则能力已几降至零点。这一点黑体辐射实验的结果又完全与旧物理学理论相矛盾。按旧物理学的理论波长愈小，能力愈大，当波长小至几等于零时，则能力将大至无限量。然而实验所得，当波长小至几近于零的时候能力已几近于零矣。波动说者简直莫明其妙了。假使波动论者尊重实验的话就不能不放弃其理论。

三、温度与能力之支配 黑体辐射之实验与波动理论冲突之点在乎波长与能力之关系，本段将讨论温度之不同与力能在各种波长中之支配的关系，以阐明波动说之困难。先拿太阳的光线来说，其温度为摄氏六千度。太阳之光线包括各种不同之波长故有各种不同之颜色，其中紫色波长为4000Å，红色波长为8000Å。于各种不同之波长中有各种不同之能力，见第五图。

第五图　示不同之波长有不同之能

第六图　示能之多寡与波长之关系

图中横线表明不同之波长，曲线为在各波长中不同之能力之支配。图中以4800Å之一点为能力最多之处。4800Å波长当为蓝色，而红色之一点（波长8000Å处）能力则较小。然而这种能力之支配，乃在六千度摄氏温度点，若温度逐渐减低，则能力亦渐次减少。且能力之多寡与波长关系亦因之而变迁。见第六图。

在此图（第六图）中我们看得出温度之不同，能力减少。而且在摄氏六千度蓝色之能力最高，在三千度的地方能力最多之一点则近于八千Å波长（红色）。故能力之支配赖两成份：第一各种不同之波长而有多寡不齐之能力；第二各种不同温度之射发体而有能力不同之支配。这些都是实验的结果而非理论之推演。波动论对于这个能力的支配就无从解释。电磁论对于这个实验的结论也觉得不得其门而入。因为这种种的困难关于辐射的性质问题不得不在波动论之外另谋出路。

四、蒲朗克量子之假设 旧物理学以为辐射能力的射发和吸收都是水波式继续不断的，但是因为实验上发现了种种对于这种理论的困难，蒲朗克在一九〇〇年毅然决然的抛弃了辐射继续状态之说，而大胆的假定辐射能力是不连续的，是许多单个元素一簇一簇的放射或吸收。这个辐射能力的基本单位即名之曰量子（quantum）。譬如工厂里面有二百个工人可以每日出产一千匹布。因为生意清淡而裁工，我们绝不能减去五十二个半工人，也不能减去十五个又三分之一的工人。工人的单位至少是一位，这是成整数而不能再分开。再如钱币也有一个极小的单位如几分几厘几丝几忽，到了这个单位已不能再分而总是整数的了。蒲朗克也以为不但在物质里面有原子，在电力里面有电子，而且在力能里面也有量子。量子是一个基本的整数。能力的放射与吸收总是一簇一簇这种整数单位。这个量子是怎样计算的呢？蒲朗克有一个基本公式：(www.xing528.com)

从这公式，我们知能之量子非确定不移之量，能量子是与频率成正比例的。h是一位蒲朗克常数（Planck constant），其数为：

h=6.55×10-29erg-second，光速度=2997，900，000 cm.per second

在很短的波长，或很高的频率，能量子必很大。然而有过大能量之放射体就没有介乎两端之间的波长的物体放射较少能量量必很小，但波长更长之一端则其能量亦以其放射可能性较少能量之易于发生。所以到了波长愈短之一端其能量亦反小，盖以其放射之可能性较少耳。在很长的波长，或很低的频率的时候，其能量必甚小。蒲朗克的理论与前面的实验就符合了，波长的增加其能量必小，波长的缩短，其能量必大，然两端——太长或太短，其能量皆必较少。故能之量子论，或辐射之粒子论已取波动论之位而代之。

关于蒲朗克始创之量子论有三点要注意的。（一）原来蒲氏只论及放射作用之量子性而非肯定能之本身的量子性；（二）虽然蒲氏假定放射能力之击射是粒子的。然而，似乎蒲氏尚未需要粒子性之散布；（三）粒子性之广布四方的观念至以量子论应用于光电效应而始稳定。

五、爱因斯坦光子之理论 在蒲朗克假定能量子之说五年后（一九〇五年）爱因斯坦乃应用之以释光射。光也是量子的，爱氏如是更进一步以言辐射——即能力散布——之粒子性。何为辐射？答曰仅若干单个子弹似的光粒子之集合而已，此光粒子现在名之曰光子（photon）。所谓光就是光子之击射，光子乃为光能之基本量子。光子论之所以能成乃以其能解决波动说所不能解决之实验事实。关于光子论之实验基础为光电效应（photo-electric effect）。光电效应的实验就是把极高振数的光线如紫外光射到一片金属上面，于是就有许多电子散放出来。这些电子很快的似枪弹般的从该金属片上放射出来而有一定之速率。从这个实验中我们得着四点极重要的结果：

（一）从该金属上射出之电子其数目必与光线之强度成比例；

（二）光线系同一之单色，而电子射发之速度自低至高变迁不定；电子射发之速度与光线之强度无关，但其速度必因光线振数之增加而增加；

（三）高振数之弱度光线能使电子以高速度射出；

（四）假使射至金属上之光线其振数小于某一最低限度时则该金属并无电子之射出。

若照波动论来说：则以上实验所得四点完全不相符合。照波动论的推论光线的强度愈大，则放出电子之速度愈高，这是与光电效应的结果完全矛盾。再照波动论的推论，无论光线之振数若何之低，电子仍必继续由金属片中射出，这是和上面第四结论冲突的。但是从上面四点上看来我们不能不采取粒子论。从第四点看来，电子非有最小限度振数之光线则不射出，这就足以显明光能之吸收必是突然的，整数的，而不会逐渐的，连续的，因光线振数到此限度之下即突然失其光电效应之作用。关于上面的第三点，既极弱度之光线亦有电子射出，这一点就指明光能之被吸入乃是聚为一种极小的单位，盖其难为一单位——一量子——之光线然仍有超过该最低限度之高振数也。因为这种种的原因爱因斯坦之光子论乃得成立，而密立根（Milikan）等尤为发展不止，于是辐射之粒子论乃渐为新物理学之中心。