光量子

光發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，把發(fā)出的電子分為一份一份的，每一份叫做一個(gè)光量子，也叫做光電子。

光電效應(yīng)

當(dāng)光照射到某種物質(zhì)上，引起這種物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光電效應(yīng)。剛剛發(fā)生光電效應(yīng)的光的波長(zhǎng)叫做極限波長(zhǎng)，光的頻率叫做極限頻率。當(dāng)只有當(dāng)波長(zhǎng)小于（包括等于）極限波長(zhǎng)時(shí)，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。極限波長(zhǎng)的值只跟金屬材料有關(guān)，而跟光波的照射強(qiáng)度和照射時(shí)間沒(méi)有關(guān)系。而光量子的強(qiáng)度則取決于光的波長(zhǎng)而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

光量子假說(shuō)

愛(ài)因斯坦大膽假設(shè)：光和原子電子一樣也具有粒子性，光就是以光速C運(yùn)動(dòng)著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。同普朗克的能量子一樣，每個(gè)光量子的能量也是E＝hν，根據(jù)相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系式，每個(gè)光子的動(dòng)量為p＝E/c＝h/λ。

光量子的能量計(jì)算公式為：E＝hν。又叫普朗克公式。其中h為普朗克常量，h = 6.63 ×10^-34 J·s，ν為光頻率。而hν=1/2mv²+W（這里只討論金屬）, 1/2mv²為光量子的初動(dòng)能。當(dāng)hν=W時(shí)，光量子剛好脫離金屬。此時(shí)，可以由上述公式，算出極限頻率ν₀=W/h。當(dāng)hν<W時(shí)，未發(fā)生光電效應(yīng)。

hν=1/2mv²+W被稱(chēng)為愛(ài)因斯坦方程，是愛(ài)因斯坦根據(jù)普朗克的量子學(xué)說(shuō)提出了新的大膽假設(shè)：光不是連續(xù)的，而是由一個(gè)一個(gè)的粒子組成的。這種粒子又叫做光量子。而且光量子具有一定的能量：E＝hν。同時(shí)又根據(jù)相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系式，每個(gè)光子的動(dòng)量為p＝E/c＝h/λ。而愛(ài)因斯坦也正因?yàn)橛眠@個(gè)公式，解釋了光電效應(yīng)，同時(shí)對(duì)光量子進(jìn)行了闡述而獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

光量子假說(shuō)成功地解釋了光電效應(yīng)。當(dāng)紫外線這一類(lèi)的波長(zhǎng)較短的光線照射金屬表面時(shí)，金屬中便有電子逸出，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光電效應(yīng)。它是由赫茲（H.R.Hertz l857—1894）和勒納德（P.Lenard l862—1947）發(fā)現(xiàn)的。光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)表明：微弱的紫光能從金屬表面打出電子，而很強(qiáng)的紅光卻不能打出電子，就是說(shuō)光電效應(yīng)的產(chǎn)生只取決于光的頻率而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這個(gè)現(xiàn)象用光的波動(dòng)說(shuō)是解釋不了的。因?yàn)楣獾牟▌?dòng)說(shuō)認(rèn)為光是一種波，它的能量是連續(xù)的，和光波的振幅即強(qiáng)度有關(guān)，而和光的頻率即顏色無(wú)關(guān)，如果微弱的紫光能從金屬表面打出電子來(lái)，則很強(qiáng)的紅光應(yīng)更能打出電子來(lái)，而事實(shí)卻與此相反。利用光量子假說(shuō)可以圓滿(mǎn)地解釋光電效應(yīng)。按照光量子假說(shuō)，光是由光量子組成的，光的能量是不連續(xù)的，每個(gè)光量子的能量要達(dá)到一定數(shù)值才能克服電子的逸出功，從金屬表面打出電子來(lái)。微弱的紫光雖然數(shù)目比較少，但是每個(gè)光量子的能量卻足夠大，所以能從金屬表面打出電子來(lái)；很強(qiáng)的紅光，光量子的數(shù)目雖然很多，但每個(gè)光量子的能量不夠大，不足以克服電子的逸出動(dòng)，所以不能打出電子來(lái)。

赫茲以自己的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，宣告光的波動(dòng)說(shuō)的全勝，判處了光的微粒說(shuō)的死刑，可是又是他發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)導(dǎo)致了微粒說(shuō)的復(fù)活。

從當(dāng)時(shí)的觀點(diǎn)看來(lái)光量子假說(shuō)同光的干涉事實(shí)矛盾，許多物理學(xué)家不贊成光量子假說(shuō)，就連普朗克也抱怨說(shuō)“太過(guò)分了”， 1907年他在寫(xiě)給愛(ài)因斯坦的信中說(shuō)：“我為作用基光量子（光量子）所尋找的不是它在真空中的意義，而是它在吸收和發(fā)射地方的意義，并且我認(rèn)為，真空中的過(guò)程已由麥克斯韋方程作了精確的描述”。直到1913年他還拒絕光量子假說(shuō)�！　∶绹�(guó)物理學(xué)家米立肯（R.A.Millikan l868—1953）在電子和光電效應(yīng)的研究方面做出了杰出的貢獻(xiàn)。他曾花費(fèi)十年時(shí)間去做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。最初他不相信光量子理論，企圖以實(shí)驗(yàn)來(lái)否定它，但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻同他最初的愿望相反。1915年他宣告，他的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)公式。他根據(jù)光量子理論給出了h值的測(cè)定，與普朗克輻射公式給出的h值符合得很好。1922—1923年間，康普敦（A.H.Compton l892—1962）研究了X射線經(jīng)金屬或石墨等物質(zhì)散射后的光譜。根據(jù)古典電磁波理論，入射波長(zhǎng)應(yīng)與散射波長(zhǎng)相等，而康普敦的實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)，除有波長(zhǎng)不變的散射外，還有大于入射波長(zhǎng)的散射存在，這種改變波長(zhǎng)的散射稱(chēng)為康普敦效應(yīng)。光的波動(dòng)說(shuō)無(wú)論如何也不能解釋這種效應(yīng)，而光量子假說(shuō)卻能成功地解釋它。按照光量子理論，入射X射線是光子束，光子同散射體中的自由電子碰撞時(shí)，將把自己的一部分能量給了電子，由于散射后的光子能量減少了，從而使光子的頻率減小，波長(zhǎng)變大。因此，康普敦效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，有力地證實(shí)了光量子理論。

　　愛(ài)因斯坦的光量子理論發(fā)展了普朗克所開(kāi)創(chuàng)的量子理論。在普朗克的理論中，還是堅(jiān)持電磁波在本質(zhì)上是連續(xù)的，只是假定當(dāng)它們與器壁振子發(fā)生能量交換時(shí)電磁能量才顯示出量子性。愛(ài)因斯坦對(duì)舊理論不是采取改良的態(tài)度，而是要求弄清事物的本質(zhì)徹底解決問(wèn)題，他看出量子不是一個(gè)成功的數(shù)學(xué)公式，而是揭露光的本質(zhì)的手段。他克服了普朗克量子假說(shuō)的不徹底性，把量子性從輻射的機(jī)制引伸到光的本身上，認(rèn)為光本身也是不連續(xù)的，光不僅在吸收和發(fā)射時(shí)是量子化的，而且光的傳播本身也是量子化的。愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)恢復(fù)了光的粒子性，使人們終于認(rèn)清了光的波粒雙重性格，而且在它的啟發(fā)下，發(fā)現(xiàn)了德布羅意物質(zhì)波，使人們認(rèn)清了微觀世界的波粒二象性，為后來(lái)量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。