光量子理論和光電效應

光量子

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

光電效應

當光照射到某種物質上，引起這種物質的電性質發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為光電效應。剛剛發(fā)生光電效應的光的波長叫做極限波長，光的頻率叫做極限頻率。當只有當波長小于（包括等于）極限波長時，才會發(fā)生光電效應。極限波長的值只跟金屬材料有關，而跟光波的照射強度和照射時間沒有關系。而光量子的強度則取決于光的波長而與光強度無關。

光量子假說

愛因斯坦大膽假設：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)相對論的質能關系式，每個光子的動量為p＝E/c＝h/λ。

光量子的能量計算公式為：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為光量子的初動能。當hν=W時，光量子剛好脫離金屬。此時，可以由上述公式，算出極限頻率ν₀=W/h。當hν<W時，未發(fā)生光電效應。

hν=1/2mv²+W被稱為愛因斯坦方程，是愛因斯坦根據(jù)普朗克的量子學說提出了新的大膽假設：光不是連續(xù)的，而是由一個一個的粒子組成的。這種粒子又叫做光量子。而且光量子具有一定的能量：E＝hν。同時又根據(jù)相對論的質能關系式，每個光子的動量為p＝E/c＝h/λ。而愛因斯坦也正因為用這個公式，解釋了光電效應，同時對光量子進行了闡述而獲得1921年諾貝爾物理獎。

光量子假說成功地解釋了光電效應。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。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，就是說光電效應的產(chǎn)生只取決于光的頻率而與光的強度無關。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，而和光的頻率即顏色無關，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。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�！　∶绹�物理學家米立肯（R.A.Millikan l868—1953）在電子和光電效應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公式。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)金屬或石墨等物質散射后的光譜。根據(jù)古典電磁波理論，入射波長應與散射波長相等，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。光的波動說無論如何也不能解釋這種效應，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，康普敦效應的發(fā)現(xiàn)，有力地證實了光量子理論。

　　愛因斯坦的光量子理論發(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。