第一個認真落實量子概念并努力發展它,使物理學家認識到它的重要性的人是愛因斯坦。 他意識到量子概念帶來的將是整個物理學的根本性改變,需要建立新的理論基礎,而不是對某些定律進行部分修改。 他不滿足于普朗克對輻射發射和吸收過程的能量不連續性的限制,而是認為即使在空間傳播過程中,輻射也是不連續的,并且由不可分割的能量量子組成。 在開始撰寫狹義相對論論文的三個月前(1905年3月),他寫了一篇題為《關于光的產生和轉變的思辨觀點》的論文,詳細闡述了這一觀點。 由于這一觀點與19世紀取得絕對勝利并得到大量實驗證實的光的波動論和麥克斯韋電磁理論完全對立,愛因斯坦在當時意識到這篇論文“非常具有革命性”。 他指出,對于光的產生和轉變的瞬時現象,波動理論的結論與經驗不一致; 為了解釋這種現象,我們只能假設光是由能量量子組成的。 他將這種能量量子稱為“光子”。 對于頻率為 v 的輻射,一個光子的能量為 hv。 從此,人們將光量子稱為“光子”。 這是美國化學家劉易斯于1926年命名的。
光量子論的提出,意味著半個多世紀前被徹底推翻的牛頓光發射理論(粒子論)在某種意義上復活了,并與波動論形成了絕對的對立。當時占主導地位。 。 然而,愛因斯坦并沒有簡單地回到牛頓的發射理論并拒絕波動理論,而是認為兩者都反映了光本質的一個方面:對于統計平均現象,光表現為波;對于統計平均現象,光表現為波;對于統計平均現象,光表現為波;對于統計平均現象,光表現為波;對于統計平均現象,光表現為波;對于統計平均現象,光表現為波。 對于統計平均現象,光表現為波; 瞬時波動現象愛因斯坦光電效應方程式,光表現為粒子。 這是人類認識自然史上第一次揭示了微觀物體的波動性與粒子性的對立統一,即“波粒二象性”。 隨后的發展歷史表明,波粒二象性是整個微觀世界最基本的特征,因而也是微觀物理理論最基本的概念。
作為光量子論的推論,愛因斯坦在論文最后討論了光電效應,徹底解決了這個經典理論無法解決的問題。 恰好,打破麥克斯韋電磁波理論空白的光電效應,最早是由赫茲在證實麥克斯韋電磁波理論的實驗中發現的。 赫茲在1887年偶然觀察到,當接收電磁波的裝置暴露在紫外線下時,往往會產生火花。 發現電子后,人們知道這是由于紫外線從空氣分子中排出了電子。 1902年,赫茲的前助手、后來成為希特勒狂熱信徒的德國實驗物理學家倫納德用各種頻率的光照射鈉汞齊,發現只有頻率高于一定下限的光才能驅逐電子; 而被射出電子的速度只與光的頻率有關,與光的強度無關。 這種現象根本無法用麥克斯韋理論來解釋,但愛因斯坦卻能夠用光的量子理論輕松完美地解釋它,并推導出光電子最大能量與入射光頻率之間的關系。 光電效應的研究和應用后來發展成為光伏電池、有聲電影、電視等技術,與現代人類的文明生活和太陽能的利用密切相關。
光量子理論的出現遭到了幾乎所有老一代物理學家的反對。 最先提出量子概念并從一開始就對相對論表示熱情支持的普朗克,直到1913年才對光量子論感到無法忍受,認為愛因斯坦在思辨中迷失了方向。 一般物理學家對光量子論態度的轉變,主要得益于兩位美國實驗物理學家密立根和康普頓的工作。 密立根因其精確測定電子電荷而聞名(1910)。 他原本并不相信光的量子論。 他花了10年時間測試愛因斯坦的光電效應公式,但結果卻“與他所有的希望相反”。 其明確的實驗證實必須在1915年得到斷言”。當康普頓在1922年發現康普頓效應(X射線被自由電子散射時,其波長增加)時,他仍然不相信光的量子理論。經過多次探索,他終于意識到這種效應只能用光的量子理論來解釋愛因斯坦光電效應方程式,于是,康普頓效應成為光量子理論中決定性的實驗,并被物理學家公認為是光存在的確鑿證據。然而,仍有少數物理學家仍然對光的量子論表示懷疑,并進一步懷疑能量守恒定律和動量守恒定律的嚴格有效性。1925年,德國和美國的兩組物理學家進行了分別進行的實驗一致否定了這種懷疑,肯定了光的量子論,并肯定了微觀物體的基本過程仍然嚴格遵守能量和動量守恒定律。 這場爭論才剛剛結束。 結束了。
繼光量子論之后,1906年,愛因斯坦將量子概念擴展到輻射領域之外,解決了固體在低溫下的比熱問題; 這個問題構成了19世紀的兩朵烏云之一。 1912年,愛因斯坦將量子概念應用到光化學現象中,提出了光化學等效定律,奠定了光化學的理論基礎。 因此,可以說,量子理論創立后10年的發展應主要歸功于愛因斯坦; 至于下一階段(1913~1920),丹麥物理學家玻爾的貢獻最為突出。
出自:現代物理知識