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光量子理論和光電效應(yīng)
光量子
光發(fā)生光電效應(yīng)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(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)象被稱為光電效應(yīng)。剛剛發(fā)生光電效應(yīng)的光的波長叫做極限波長,光的頻率叫做極限頻率。當(dāng)只有當(dāng)波長小于(包括等于)極限波長時,才會發(fā)生光電效應(yīng)。極限波長的值只跟金屬材料有關(guān),而跟光波的照射強度和照射時間沒有關(guān)系。而光量子的強度則取決于光的波長而與光強度無關(guān)。
光量子假說
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。
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(dāng)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(dāng)hν<W時,未發(fā)生光電效應(yīng)。
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(xué)說提出了新的大膽假設(shè):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(zhì)能關(guān)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(yīng),同時對光量子進(jìn)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(yīng)。當(dāng)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(rèn)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(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。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(dǎo)致了微粒說的復(fù)活。
從當(dāng)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(xué)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(rèn)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! ∶绹锢韺W(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。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(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(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的不徹底性,把量子性從輻射的機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(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,為后來量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。
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