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光量子理論
光量子的提出:
愛因斯坦大膽假設(shè):光和原子電子一樣也具有粒子性,光就是以光速C運動著的粒子流,他把這種粒子叫光量子。
同普朗克的能量子一樣,每個光量子的能量也是E=hν,根據(jù)相對論的質(zhì)能關(guān)系式,每個光子的動量為p=E/c=h/λ
列別捷夫(l866—1911)的光壓實驗證實了光的動量和能量的關(guān)系式!
根據(jù)光量子假說,愛因斯坦順利地推出普朗克公式,并且還提出了一個光電效應(yīng)公式。
其中普朗克公式為:Mbλ(T)=2πh(c^2)(λ^-5)*1/[e^(hc/λkT)-1],光電效應(yīng)公式為:E=hv+W。其中h為普朗克常量,h= 6.626068 × 10
光量子的應(yīng)用:
光量子假說成功地解釋了光電效應(yīng)。當紫外線這一類的波長較短的光線照射金屬表面時,金屬中便有電子逸出,這種現(xiàn)象被稱為光電效應(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)的實驗表明:微弱的紫光能從金屬表面打出電子,而很強的紅光卻不能打出電子,就是說光電效應(yīng)的產(chǎn)生只取決于光的頻率而與光的強度無關(guān)。這個現(xiàn)象用光的波動說是解釋不了的。因為光的波動說認為光是一種波,它的能量是連續(xù)的,和光波的振幅即強度有關(guān),而和光的頻率即顏色無關(guān),如果微弱的紫光能從金屬表面打出電子來,則很強的紅光應(yīng)更能打出電子來,而事實卻與此相反。
利用光量子假說可以圓滿地解釋光電效應(yīng)。按照光量子假說,光是由光量子組成的,光的能量是不連續(xù)的,每個光量子的能量要達到一定數(shù)值才能克服電子的逸出功,從金屬表面打出電子來。微弱的紫光雖然數(shù)目比較少,但是每個光量子的能量卻足夠大,所以能從金屬表面打出電子來;很強的紅光,光量子的數(shù)目雖然很多,但每個光量子的能量不夠大,不足以克服電子的逸出動,所以不能打出電子來!
赫茲以自己的實驗證實了電磁波的存在,宣告光的波動說的全勝,判處了光的微粒說的死刑,可是又是他發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)導致了微粒說的復活!
從當時的觀點看來光量子假說同光的干涉事實矛盾,許多物理學家不贊成光量子假說,就連普朗克也抱怨說“太過分了”, 1907年他在寫給愛因斯坦的信中說:“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,并且我認為,真空中的過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。
美國物理學家米立肯(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。他曾花費十年時間去做光電效應(yīng)實驗。最初他不相信光量子理論,企圖以實驗來否定它,但實驗的結(jié)果卻同他最初的愿望相反。1915年他宣告,他的實驗證實了愛因斯坦光電效應(yīng)公式。
光量子的意義:
他根據(jù)光量子理論給出了h值的測定,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,入射波長應(yīng)與散射波長相等,而康普敦的實驗卻發(fā)現(xiàn),除有波長不變的散射外,還有大于入射波長的散射存在,這種改變波長的散射稱為康普敦效應(yīng)。光的波動說無論如何也不能解釋這種效應(yīng),而光量子假說卻能成功地解釋它。
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,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,波長變大。因此,康普敦效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),有力地證實了光量子假說!
愛因斯坦的光量子假說發(fā)展了普朗克所開創(chuàng)的量子理論。在普朗克的理論中,還是堅持電磁波在本質(zhì)上是連續(xù)的,只是假定當它們與器壁振子發(fā)生能量交換時電磁能量才顯示出量子性。愛因斯坦對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)徹底解決問題,他看出量子不是一個成功的數(shù)學公式,而是揭露光的本質(zhì)的手段。他克服了普朗克量子假說的不徹底性,把量子性從輻射的機制引伸到光的本身上,認為光本身也是不連續(xù)的,光不僅在吸收和發(fā)射時是量子化的,而且光的傳播本身也是量子化的。
愛因斯坦的光量子假說恢復了光的粒子性,使人們終于認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,使人們認清了微觀世界的波粒二象性,為后來量子力學的建立奠定了基礎(chǔ)。
光量子的測量
現(xiàn)在市場上有專門測量燈光和日光的光量子計,測量范圍為1-2,700µmol m-2 s-1,即400-700nm波長間的光量子都能測量。且一次性可記錄30000條數(shù)據(jù)。
圖 光量子計
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