光量子

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更新時間: 2013-09-05

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光量子(light quantum),是光子的原始稱呼,電磁輻射的量子,傳遞電磁相互作用的規範粒子,記為γ。其靜止質量為零,不帶電荷,其能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積,E=hv,在真空中以光速c運行,其自旋為1,是玻色子。

光量子 -光量子的提出

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,根據相對論的質能關係式,每個光子的動量為p=E/c=h/λ  列別捷夫(П.Н.Лебедев l866—1911)的光壓實驗證實了光的動量和能量的關係式。  根據光量子假說,愛因斯坦順利地推出普朗克公式,並且還提出了一個光電效應公式。  

光量子光量子-內部結構模型圖

 

光量子 -光量子的應用

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)發現的。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生只取決於光的頻率而與光的強度無關。這個現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,光的能量是不連續的,每個光量子的能量要達到一定數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,可是又是他發現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,而是它在吸收和發射地方的意義,並且我認為,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)在電子和光電效應的研究方面做出了傑出的貢獻。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願望相反。1915年他宣告,他的實驗證實了愛因斯坦光電效應公式。

 

 

 

光量子 -光量子的意義

光量子光量子

他根據光量子理論給出了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射線經金屬或石墨等物質散射后的光譜。根據古典電磁波理論,入射波長應與散射波長相等,而康普敦的實驗卻發現,除有波長不變的散射外,還有大於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,由於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,康普敦效應的發現,有力地證實了光量子假說。  愛因斯坦的光量子假說發展了普朗克所開創的量子理論。在普朗克的理論中,還是堅持電磁波在本質上是連續的,只是假定當它們與器壁振子發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採取改良的態度,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的,光不僅在吸收和發射時是量子化的,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,使人們終於認清了光的波粒雙重性格,而且在它的啟發下,發現了德布羅意物質波,使人們認清了微觀世界的波粒二象性,為後來量子力學的建立奠定了基礎。

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