﻿ 普朗克常数与光子静止质量常数统一实验分析 Unified Experimental Analysis of Planck Constant and Photons Rest Mass Constant

Modern Physics
Vol.06 No.06(2016), Article ID:18991,11 pages
10.12677/MP.2016.66018

Unified Experimental Analysis of Planck Constant and Photons Rest Mass Constant

Xianjin Wu

School of Information and Mathematics, Yangtze University, Jingzhou Hubei

Received: Nov. 3rd, 2016; accepted: Nov. 19th, 2016; published: Nov. 22nd, 2016

ABSTRACT

Whether the rest mass of photon is zero is one of the fundamental problems in physics. Einstein used Planck’s constant h as a constant of the photon energy, indicating that the photon is no rest mass. In this paper, the analysis and research results of the absorption spectroscopy, Planck’s blackbody radiation equation, Einstein’s photoelectric effect theory and experiment show that Planck’s constant h is not the energy constant of the photon but rather the energy constant of the nucleus outside orbit electrons or metal conduction band free electrons. A constant hm of photons rest mass is assumed. It is more reasonable that the photon rest mass constant and Planck’s constant are used to explain the absorption spectra, blackbody radiation and the photoelectric effect, and other related physical experiment. The argument about Planck’s constant h and constant hm of photons rest mass put forward new ideas for the development of relevant theoretical and experimental physics.

Keywords:Photons Rest Mass Constant, Planck’s Constant, Absorption Spectrum, Blackbody Radiation, Photoelectric Effect

1. 引言

19世纪Maxwell创立电磁理论，1900年普朗克提出h常数假设，1905年爱因斯坦建立光量子理论、光电效应理论和狭义相对论，对物理学特别是量子物理学的发展起到了巨大的作用。但是，上述理论的一个前提条件是，光子的静止质量必须为零。

2. 光子静止质量常数假设

1905年，Einstein [7] 研究认为，如果用光的能量在空间中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收和产生出来。

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3. 基于h与hm的吸收光谱原理

1802年，伍朗斯顿(W. H. Wollaston) [12] 就发现太阳光谱中的若干暗线。1814年德国物理学家弗劳恩霍夫(Joseph von Fraunhofer) [13] 再次观察到太阳光谱中的暗线，开始系统研究和仔细测量这些暗线的波长。1859年，基尔霍夫和本生 [14] [15] 注意到几个弗劳恩霍夫线与加热元素的光谱中的发射线重合 [16] ，并推断这些暗线是由于太阳辐射的连续光谱被太阳表面大气中的元素吸收相应波长的光线而产生的 [17] 。1955年，澳大利亚科学家瓦尔西(A. Walsh) [18] 、荷兰学者阿肯麦德(C. T. J. Alkemade)和米拉芝(J. M. W. Milatz) [19] 分别独立地发表了原子吸收光谱分析方法的论文，开创了火焰原子吸收光谱法。

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4. 基于hm的黑体辐射公式与基于h的黑体辐射公式一致性论证

1900年，马克斯﹒普朗克 [22] 在研究物体热辐射时，运用内插法，推导出黑体辐射的两个公式：

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1906年，爱因斯坦 [23] 认为，普朗克先生在他的黑体辐射理论中给物理学引进了一个新的假说性元素，即光量子假说，并将能量元素定义为光量子。这样就将光子的能量与轨道电子能量等同起来，并奠定了光子静止质量为零的理论基础。

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5. 光电效应实验对h与hm的检验

1905年，爱因斯坦 [7] 在论述光电效应原理时曾指出，“最简单的设想是，一个光量子把它的能量全部给予了单个电子：我们要假设这就是实际上发生的情况。可是这不应当排除，电子只从光量子那里接受了部分能量。一个物体内部具有动能的电子当它到达物体表面时已经失去了它的一部分动能。此外，还必须假设，每个电子在离开物体时还必须为它脱离物体做一定量的功P”。1906年，爱因斯坦 [23] 进一步论述了光电效应原理，认为频率为的光只能够吸收和发射能量为的量子，这里R是应用于克分子的气体方程的绝对常数，N是克分子中的实际分子数，β是维恩(以及普朗克)辐射公式中指数系数，是有关的光的频率。一个电子(电荷)要从金属运动到气体中，必须至少带有电势V乘以的能量。光量子能量一经超过，一部分吸收光的电子就会离开金属。一种金属的正电序愈大，在该金属中引起光电效应的最低光子频率就愈小。并提出了著名的光电效应方程：

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Table 1. Comparison between the calculation results of the Equations (8) and (10)

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1916年，密立根 [24] 通过实验检验了爱因斯坦的光电效应方程，并对普朗克常数进行了测定。密立根的实验是科学的，如果按式(16)计算实验数据，得到的结论会更接近物理真实。

5.1. 原子核外电子轨道能级和自由电子金属导带能级可以用电压表示

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5.2. 电子的金属逸出功计算

5.3. 光电效应实验能够精确测定电子的电荷

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5.4. 金属导带基态电子逸出最大初始动能计算

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5.5. 光电效应测定普朗克常数和光子静止质量常数

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Table 2. The relationship between the electronic frequency of the conduction band ground state and the cutoff voltage

(22)

5.6. 基于实验数据的两种普朗克常数h计算方法比较

1916年，密立根 [23] 以入射光子的频率与相应的截止电压两组数据计算斜率，再乘以电子电荷e，(如电子电荷常数值为1.602176565 × 10−19 C)，得到普朗克常数。这种计算方法一直沿用到现在。第二种是本文提出的新的计算方法，即以导带基态电子频率与相应的截止电压两组数据计算斜率，再乘以电子电荷，得到普朗克常数。在这里，电子电荷常数为6.71803122349705 × 10−22 (J/V)。

6. 结论

Table 3. The relationship between the electronic frequency and the electron energy of the conduction band ground state

Table 4. The relationship between the cutoff voltage and the incident photon energy density

Table 5. Comparing the calculation methods of two Planck’s constants based on experimental data

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