光量子理论和光电效应

光量子

光发生光电效应时，把发出的电子分为一份一份的，每一份叫做一个光量子，也叫做光电子。

光电效应

当光照射到某种物质上，引起这种物质的电性质发生变化，这种现象被称为光电效应。刚刚发生光电效应的光的波长叫做极限波长，光的频率叫做极限频率。当只有当波长小于（包括等于）极限波长时，才会发生光电效应。极限波长的值只跟金属材料有关，而跟光波的照射强度和照射时间没有关系。而光量子的强度则取决于光的波长而与光强度无关。

光量子假说

爱因斯坦大胆假设：光和原子电子一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是E＝hν，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为p＝E/c＝h/λ。

光量子的能量计算公式为：E＝hν。又叫普朗克公式。其中h为普朗克常量，h = 6.63 ×10^-34 J·s，ν为光频率。而hν=1/2mv²+W（这里只讨论金属）, 1/2mv²为光量子的初动能。当hν=W时，光量子刚好脱离金属。此时，可以由上述公式，算出极限频率ν₀=W/h。当hν<W时，未发生光电效应。

hν=1/2mv²+W被称为爱因斯坦方程，是爱因斯坦根据普朗克的量子学说提出了新的大胆假设：光不是连续的，而是由一个一个的粒子组成的。这种粒子又叫做光量子。而且光量子具有一定的能量：E＝hν。同时又根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为p＝E/c＝h/λ。而爱因斯坦也正因为用这个公式，解释了光电效应，同时对光量子进行了阐述而获得1921年诺贝尔物理奖。

光量子假说成功地解释了光电效应。当紫外线这一类的波长较短的光线照射金属表面时，金属中便有电子逸出，这种现象被称为光电效应。它是由赫兹（H.R.Hertz l857—1894）和勒纳德（P.Lenard l862—1947）发现的。光电效应的实验表明：微弱的紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能打出电子，就是说光电效应的产生只取决于光的频率而与光的强度无关。这个现象用光的波动说是解释不了的。因为光的波动说认为光是一种波，它的能量是连续的，和光波的振幅即强度有关，而和光的频率即颜色无关，如果微弱的紫光能从金属表面打出电子来，则很强的红光应更能打出电子来，而事实却与此相反。利用光量子假说可以圆满地解释光电效应。按照光量子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功，从金属表面打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少，但是每个光量子的能量却足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红光，光量子的数目虽然很多，但每个光量子的能量不够大，不足以克服电子的逸出动，所以不能打出电子来。

赫兹以自己的实验证实了电磁波的存在，宣告光的波动说的全胜，判处了光的微粒说的死刑，可是又是他发现的光电效应导致了微粒说的复活。

从当时的观点看来光量子假说同光的干涉事实矛盾，许多物理学家不赞成光量子假说，就连普朗克也抱怨说“太过分了”， 1907年他在写给爱因斯坦的信中说：“我为作用基光量子（光量子）所寻找的不是它在真空中的意义，而是它在吸收和发射地方的意义，并且我认为，真空中的过程已由麦克斯韦方程作了精确的描述”。直到1913年他还拒绝光量子假说。　　美国物理学家米立肯（R.A.Millikan l868—1953）在电子和光电效应的研究方面做出了杰出的贡献。他曾花费十年时间去做光电效应实验。最初他不相信光量子理论，企图以实验来否定它，但实验的结果却同他最初的愿望相反。1915年他宣告，他的实验证实了爱因斯坦光电效应公式。他根据光量子理论给出了h值的测定，与普朗克辐射公式给出的h值符合得很好。1922—1923年间，康普敦（A.H.Compton l892—1962）研究了X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱。根据古典电磁波理论，入射波长应与散射波长相等，而康普敦的实验却发现，除有波长不变的散射外，还有大于入射波长的散射存在，这种改变波长的散射称为康普敦效应。光的波动说无论如何也不能解释这种效应，而光量子假说却能成功地解释它。按照光量子理论，入射X射线是光子束，光子同散射体中的自由电子碰撞时，将把自己的一部分能量给了电子，由于散射后的光子能量减少了，从而使光子的频率减小，波长变大。因此，康普敦效应的发现，有力地证实了光量子理论。

　　爱因斯坦的光量子理论发展了普朗克所开创的量子理论。在普朗克的理论中，还是坚持电磁波在本质上是连续的，只是假定当它们与器壁振子发生能量交换时电磁能量才显示出量子性。爱因斯坦对旧理论不是采取改良的态度，而是要求弄清事物的本质彻底解决问题，他看出量子不是一个成功的数学公式，而是揭露光的本质的手段。他克服了普朗克量子假说的不彻底性，把量子性从辐射的机制引伸到光的本身上，认为光本身也是不连续的，光不仅在吸收和发射时是量子化的，而且光的传播本身也是量子化的。爱因斯坦的光量子假说恢复了光的粒子性，使人们终于认清了光的波粒双重性格，而且在它的启发下，发现了德布罗意物质波，使人们认清了微观世界的波粒二象性，为后来量子力学的建立奠定了基础。