對經典光粒子論做出重要貢獻的兩位科學家（左）和艾薩克（右）
我們先來談談光子：
光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是規(guī)范玻色子。 光子是電磁輻射的載體，在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介。 與大多數基本粒子相比，光子的靜止質量為零，這意味著它在真空中以光速傳播。 與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子可以表現(xiàn)出經典波的折射、干涉、衍射等性質； 光子的粒子性可以通過光電效應來證明。 光子只能傳輸量子化的能量，是晶格粒子和圈量子粒子的質能相態(tài)。
量子電動力學建立后，證實光子是傳遞電磁相互作用的介質粒子。 帶電粒子通過發(fā)射或吸收光子相互作用。 成對的正負帶電粒子可以湮滅并轉化為光子。 它們也可以在電磁場中產生。
光子是光中攜帶能量的粒子。 光子的能量與光波的頻率成正比。 頻率越高，能量越高。 當光子被原子吸收時，電子獲得足夠的能量從內軌道躍遷到外軌道，發(fā)生電子躍遷的原子從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。
光子具有能量、動量和質量。 根據質能方程E=mc2=hν，可得m=hν/c2愛因斯坦光電效應方程式，
由于光子不能靜止，因此它沒有靜止質量。 這里的質量是光子的相對論質量。
根據量子場論，一對反粒子可以湮滅成一對高能伽馬光子，而一對高能伽馬光子在高溫下也可以發(fā)生反應，產生一對反粒子。 例如，光子轉化為重子（例如質子和中子）可以在 T=1015K 的溫度下發(fā)生。 正電子-負電子散射（也稱為Bha-Bha散射）用費曼圖表示，波浪線表示交換虛光子的過程。
另請參閱：狹義相對論
從波的角度來看，光子有兩種可能的偏振態(tài)和三個正交的波矢量分量，這決定了它的波長和傳播方向； 從粒子的角度來看，光子的靜止質量為零，電荷為零，半衰期無限長。 光子是自旋為1的規(guī)范玻色子，因此輕子數、重子數和奇異數均為零。
光子的靜止質量嚴格為零，這本質上等價于庫侖定律嚴格的平方反比距離關系。 如果光子的靜止質量不為零，則庫侖定律就不是嚴格的平方反比定律。 所有相關的經典理論，例如麥克斯韋方程組和電磁場的拉格朗日方程，都依賴于光子的剩余質量嚴格為零的假設。 由愛因斯坦的質能關系和光量子能量公式可以粗略得到光子質量的上限：m=hν/c2
這里，m是光子質量的上限，ν是任何電磁波的頻率，超低頻段舒曼共振的已知最低頻率約為7.8 Hz（赫茲）。 該值僅比當今獲得的廣泛接受的上限高兩個數量級。
參見光子：規(guī)范玻色子
光子可以在許多自然過程中產生。 例如，當分子、原子或原子核從高能級躍遷到低能級時電荷加速時，就會發(fā)射光子。 當粒子和反粒子湮滅時也會產生光子。 在上述時間的反轉過程中，可以吸收光子，即分子、原子或原子核從低能級躍遷到高能級，從而產生粒子對和反粒子對。
光子在真空中的速度就是光速，能量E與動量p的關系為p=E/c； 在相對論力學中，靜態(tài)質量是
粒子的能量動量關系為：
光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關； 或僅針對波長 λ。 因此，光子的動量為p=h/λ=hv/c。 其中 h 稱為普朗克常數。
詹姆斯·克拉克 (James Clerk) 撰寫了麥克斯韋方程及其部分解，其中真空中的光速由兩個已知參數決定：真空磁導率和真空介電常數。
由光子的能量和動量公式可以得出推論：
粒子及其反粒子的湮滅過程必須產生至少兩個光子。 原因是質心系統(tǒng)中粒子及其反粒子組成的系統(tǒng)的總動量為零。 由于能量守恒定律，產生的光子的總動量也必須為零； 由于單個光子總是具有非零大小的動量，因此系統(tǒng)只能產生兩個或多個光子來滿足總動量為零。 產生光子的頻率，即它們的能量，由能量動量守恒定律（四個維度的動量守恒）決定。 從能量和動量守恒定律，我們知道粒子和反粒子湮滅的逆過程，即兩個光子產生電子-反電子對的過程，在真空中不可能自發(fā)發(fā)生。
光子具有波粒二象性：
也就是說，光子一一具有粒子的特性和像聲波一樣的波動性。 當時間為瞬時值時，光子以粒子的形式傳播； 當時間為平均值時英語作文，光子以波的形式傳播。 光子的波動性由光子的衍射證明，光子的粒子性由光電效應證明。
上面有人認為光子的動態(tài)質量為零，這是錯誤的。 光子的靜態(tài)質量為零，否則其動態(tài)質量將為無窮大。 但它的動態(tài)質量確實存在，計算方法如下：首先，由于頻率為v的光子的能量為E=hv，（其中h為普朗克常數），因此可以通過質能公式得到它的質量為： m=E/c2=hv/c2 其中 c2 表示光速的平方。 這個方法最早是由愛因斯坦提出的。
光電效應：
光電效應是物理學中一個重要而神奇的現(xiàn)象。 在高于一定頻率的電磁波照射下，某些材料內部的電子會被光子激發(fā)，形成電流，即光電。 光電現(xiàn)象由德國物理學家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，正確的解釋由愛因斯坦提出。 在科學家研究光電效應的過程中，物理學家對光子的量子特性有了更深入的認識，這對波粒二象性的概念產生了重大影響。
當紫外線照射到金屬表面時，可使金屬發(fā)射帶電粒子電流，從而產生光能發(fā)電。 這種神奇的現(xiàn)象，后來被稱為光電效應，原來是赫茲實驗中的一個意外發(fā)現(xiàn)。 倫納德得到了一個無法用經典物理學解決的想法。 為了解釋實驗結果，愛因斯坦極具想象力的理論解釋并沒有得到學術界的支持，因為它沒有直接的實驗數據支持。 然而，想要用實驗來證明愛因斯坦理論是錯誤的密立根，花了10年的時間進行實驗。 證實了愛因斯坦的理論是正確的。 20世紀物理學的發(fā)展史充分證明了光電效應這一意外發(fā)現(xiàn)的巨大科學價值。
Εk =hν－Wo (Wo 為功函數)
如果入射光子的能量hν大于功函數Wo，那么部分光電子在離開金屬表面后仍然具有殘余能量，這意味著部分光電子具有一定的動能。 由于不同的電子脫離某種金屬所需的功不同，因此它們吸收光子的能量并逃離金屬后剩余的動能也不同。 由于功函數Wo是指從原子鍵上移走一個電子所需的最小能量，如果用Ek來表示動能最大的光電子的動能，則有如下關系： Ek =hν - W o （其中，h代表普朗克常數，ν代表入射光的頻率），這種關系通常被稱為愛因斯坦光電效應方程。 即：光子能量=除去電子所需的能量（功函數）+發(fā)射電子的動能。
當光子能量等于功函數時，電子的動能為零。 盡管電子會逃逸，但它們仍會保留在金屬表面。
愛因斯坦和他的光電效應方程
當光電效應發(fā)生時，電子在克服金屬核的引力并逃逸時具有不同的動能。 金屬表面電子吸收光子并逸出時動能的最大值稱為最大初始動能。
做光電效應實驗及其實驗示意圖
電子吸收光子的能量后，可能會向各個方向移動，有些在金屬內部移動，有些則向外移動。 由于距離不同，電子逸出時損失的能量不同，因此它們離開金屬表面時的初始動能也不同。 只有直接從金屬表面飛出的電子具有最大的初始動能。 此時，光電子克服原子核引力所做的功稱為金屬的功函數。
沒想到發(fā)現(xiàn)了奇怪的效果
1886年10月，德國的海因里?！ず掌潱?Hertz，1857-1894）正忙于進行火花放電實驗，以證實麥克斯韋的電磁理論。 他的實驗裝置由兩組放電電極組成，一組用于產生振蕩并發(fā)射電磁波；另一組用于產生振蕩并發(fā)射電磁波。 另一個充當接收器。 赫茲仔細觀察了兩個放電火花之間的干擾現(xiàn)象及其影響因素，并測試了電磁波的存在。 研究電磁波特性的實驗相當成功，但赫茲并不滿足，仍在思考改進實驗設備。
德國物理學家海因里希·赫茲（圖片來自網絡）
赫茲實驗的電路圖（圖片來自網絡）（a和e為感應線圈，b為電池，感應線圈a連接電極d，感應線圈e連接電極f，c為水銀開關，p 是分區(qū)）
1886年12月上旬，為了便于觀察，他不小心用暗盒蓋住了接收器部分。 在實驗過程中，他意外地發(fā)現(xiàn)接收電極之間的放電火花變短了。 這種罕見的現(xiàn)象讓赫茲感到困惑。 他設置了不同的實驗條件，繼續(xù)進行詳細的觀察。 他改變兩組電極之間的距離，改變接收器周圍的氣壓，分別屏蔽兩組電極，用不同光譜區(qū)域、不同光源的光照射接收器，在接收器之間插入不同材質的金屬板兩組電極等，最后發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象既不是電磁屏蔽也不是可見光照射造成的，而是紫外線照射到負極時可以看到最明顯的效果。 1887年，赫茲在《物理學年鑒》上發(fā)表了一篇題為“論紫外線對放電的影響”的論文，描述了他的發(fā)現(xiàn)。 這篇論文引起了廣泛的反響，并吸引了許多物理學家研究這一現(xiàn)象。
赫茲后來回顧這次經歷說：“光與電現(xiàn)象之間如此直接的相互作用關系仍然極為罕見”，“這是一種令人驚訝且完全無知的效應”。 這種將光能轉化為電能的奇特效應后來被稱為光電效應。
無法解釋的實驗結果
1891年，德國的安東·馮·萊納德（Anton von Lénárd，1862-1947）在赫茲的指導下開始研究陰極射線的特性，但他對赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應也很感興趣。 1902年，在陰極射線研究取得突破后，倫納德將研究方向轉向光電效應。 他用實驗研究了光電效應產生過程中相關物理量之間的關系，發(fā)現(xiàn)了一個重要規(guī)律：光電效應產生的光電子數量隨著入射光強度的增加而增加，但光電子的速度卻增加，或者說它們的動能只與入射光的頻率有關，而與入射光的強度無關。 倫納德的實驗結果無法用經典物理學來解釋，并且與當時的物理學理論相沖突。 根據經典理論，電子從光能中接收動能。 光越強，能量越大，電子的速度越快。
德國物理學家菲利普·倫納德（圖片來自網絡）
很有想象力的理論
1905年3月，26歲的猶太人阿爾伯特·愛因斯坦（1879-1955）還是瑞士伯爾尼專利局的三級技術員。 受到普朗克量子假說的啟發(fā)，他非常富有想象力地運用了它。 相對論和光量子論解釋了倫納德光電效應實驗的結果，并列出了光電方程。 他在德國《物理年鑒》上發(fā)表了題為“關于光的產生和轉變的嘗試性觀點”的論文。
為什么光電子能量只與入射光的頻率有關而與入射光的強度無關？ 如果入射光束的強度較弱，但只要其頻率足夠高，就會產生一些高能光子，促使束縛電子逃逸。 然而，如果強輻照度的入射光束的頻率低于某個臨界頻率，則無法提供任何高能光子來促進束縛電子的逃逸。
愛因斯坦的這些討論與詹姆斯·麥克斯韋的光波動論相沖突，無法解釋光波的折射和相干性（光的波動論已經在理論上經過了嚴格的檢驗，并通過精確的實驗得到了證明），而且這種討論與“無限可分性”相矛盾。物理系統(tǒng)中能量的假說也是矛盾的。 另外，愛因斯坦的理論分析沒有直接的實驗數據支持，因此沒有得到當時學術界的支持和理解。
猶太物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（圖片來自網絡）
經過10年的實驗驗證
美國人羅伯特·密立根（1868-1953）注意到了愛因斯坦的論文，但他并不認同愛因斯坦的理論。 接下來的十年里，他花費了大量的精力進行光電效應的實驗研究，希望進一步證明經典理論的正確性。 他的實驗技術高超，對光電效應中的幾個重要物理量進行了精確測量。
美國物理學家羅伯特·密立根（圖片來自網絡）
密立根實驗裝置示意圖（圖片來自網絡）
密立根的實驗結果：6條曲線分別對應汞的6條特征譜線（橫坐標為電壓，縱坐標為光電流）（圖片來自網絡）
1916年，密立根發(fā)表了他的實驗結果，列出了六種不同頻率的單色光測得的反向電壓截止值的曲線以及頻率關系，驗證了愛因斯坦1905年提出的光電方程。愛因斯坦的理論是正確的。
愛因斯坦高度評價密立根的光電效應實驗。 他指出：“我感謝密立根對光電效應的研究，該研究首次決定性地證明了固體在光的影響下發(fā)射的電子與光的振動有關。周期性是量子理論的結果，是輻射粒子結構所獨有的?！?span style="display:none">NDu物理好資源網(原物理ok網)
正是由于密立根全面證實了愛因斯坦的光電方程，光電效應在理論和實驗上都得到了證實，光量子論開始得到學術界的認可。 20世紀物理學的發(fā)展史也充分證明了這個光電效應的意外發(fā)現(xiàn)具有巨大的科學價值。
愛因斯坦因其“在理論物理方面的成就，特別是光電效應定律的發(fā)現(xiàn)”而獲得1921年諾貝爾物理學獎，而密立根則因其“在基本電荷和光電效應方面的工作”而獲得1923年諾貝爾物理學獎。 物理獎。 近百年來，基于光電效應的各類光電探測器已廣泛應用于科研、軍事、冶金、電子、機械、化工、地質勘探、醫(yī)療、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等領域。
數學推導：
光束中光子所擁有的能量與光的頻率成正比。 如果金屬中的自由電子吸收光子的能量，并且這個能量大于或等于與金屬相關的某個能量閾值（閾值）（稱為金屬的功函數），那么該電子就有足夠的能量能量將從金屬中逸出并變成光電子； 如果能量不足，電子就會釋放能量，能量又變成光子離開。 電子能量將恢復到被吸收之前的水平愛因斯坦光電效應方程式，并且無法從金屬中逸出。 增加光束的輻照度會增加光束中光子的“密度”，同時激發(fā)更多的電子，但不會導致每個激發(fā)的電子通過吸收更多的光子來獲得更多的能量。 也就是說，光電子的能量與輻照度無關，只與光子的能量和頻率有關。
光束照射的電子將吸收光子的能量，但其機制遵循“全有或全無”的標準。 光子的所有能量必須被吸收以克服功函數，否則該能量將被釋放。 如果電子吸收的能量能夠克服功函數，還有剩余能量，那么這個剩余能量將成為電子發(fā)射后的動能。
功函數W是從金屬表面發(fā)射光電子所需的最小能量。 如果從頻率的角度換算，光子的頻率必須大于金屬特性的極限頻率，才能給予電子足夠的能量來克服功函數。功函數與極限頻率v0的關系為
W=h*v0
其中，h為普朗克常數，為光頻率h*v0的光子的能量。
克服功函數后，光電子的最大動能Kmax為
Kmax=hv-W=h（v-v0）
其中，hv是光頻率v的光子攜帶并被電子吸收的能量。
實際物理學要求動能必須為正。 因此，光的頻率必須大于或等于光電效應發(fā)生的極限頻率。
§1 關于“黑體輻射”理論的一個難點
我們首先從麥克斯韋理論和電子論的角度來考察以下情況。 假設在完全反射墻包圍的空間中有一定數量的氣體分子和電子。 它們可以自由移動，當它們彼此非常接近時，它們會相互施加保守力。 也就是說，它們可以像氣體[分子]運動理論中的氣體分子相互碰撞一樣。 此外，還假設一定數量的電子通過一定的力束縛在該空間中一些相距較遠的點上。 力的方向指向這些點，其大小與電子和每個點之間的距離成正比。
當自由[氣體]分子和電子非常接近這些[束縛]電子時，這些電子與自由分子和電子之間也應該發(fā)生保守[力]相互作用。 我們將這些束縛在空間點上的電子稱為“振蕩器”； 它們發(fā)射一定周期的電磁波并吸收相同周期的電磁波。
根據現(xiàn)代對光產生的看法，根據麥克斯韋理論，我們正在研究的空間中處于動態(tài)平衡的輻射應該完全等同于“黑體輻射”——至少當我們考慮具有應考慮頻率的一切時。 當所有振蕩器都被視為存在時就是這種情況。
我們暫時不考慮振蕩器發(fā)射和吸收的輻射，而是深入研究與分子和電子相互作用（或碰撞）兼容的動態(tài)平衡條件問題。 氣體[分子]運動理論提出的動態(tài)平衡條件是：電子振子的平均動能必須等于氣體分子平動運動的平均動能。如果我們將電子振子的運動分解為三個相互垂直的[分鐘]振動，然后我們找到這樣一個線性[分鐘]振動的能量平均值
為了
這里 R 是絕對氣體常數，N 是克當量的“真實分子”數量，T 是絕對溫度。由于振蕩器的動能和勢能隨時間的平均而相等，因此能量
等于自由單原子氣體分子的動能
如果現(xiàn)在由于任何原因 - 在我們的例子中由于輻射過程 - 振蕩器的能量大于或小于
時間平均，那么它與自由電子和分子的碰撞將導致氣體平均獲得或損失不等于0的能量。因此，在我們正在考慮的情況下，只有當每個振蕩器具有平均能量時
只有當動態(tài)平衡是可能的時候。
我們進一步對振蕩器與空間中存在的輻射之間的相互作用進行類似的考慮。 普朗克先生曾經假設輻射可以被視為可以想象的最無序的過程。 在這個假設下，他推導出了這種情況下動態(tài)平衡的條件。 他找到：
這里
是具有固有頻率 ν 的振蕩器（每個振動分量）的平均能量，c 是光速，ν 是頻率，并且
是 ν 和之間的頻率
單位體積輻射的能量介于兩者之間。
如果頻率為ν的輻射能量一般既不連續(xù)增加也不連續(xù)減少，則有以下公式
必須成立。
這種作為動態(tài)平衡條件的關系不僅不符合經驗，而且還表明，在我們的圖像中，不可能談論以太和物質之間的任何確定的能量分布。 因為振子的振動數范圍越寬，在空間中輻射的能量就越大，極端情況下我們得到：
§2.關于普朗克基本常數的確定
接下來我們要指出的是，普朗克先生對基本常數的確定在一定程度上與他創(chuàng)立的黑體輻射理論無關。
到目前為止所有的經歷都令人滿意
普朗克公式為：
在，
對于大
值，即對于較大的波長和輻射密度，該公式在極限情況下變?yōu)橐韵滦问剑?span style="display:none">NDu物理好資源網(原物理ok網)
可見，該公式與§l中利用麥克斯韋理論和電子理論得到的公式是一致的。 通過使這兩個公式的系數相等，我們得到：
或者
這意味著一個氫原子的重量
公克
公克。 這正是普朗克先生得到的值，并且與通過其他方法獲得的這個量的值令人滿意地吻合。
因此我們得出結論，輻射的能量密度和波長越大，我們使用的理論基礎就越適用； 然而，對于小波長的小輻射密度，我們的理論基礎完全不適用。
以愛因斯坦方式量化光電效應時，使用以下方程： 光子能量 = 移出電子所需的能量 + 發(fā)射電子的動能 代數形式： 其中 h 是普朗克常數，ν 是入射光子的頻率，為功函數，即從原子鍵中移除電子所需的最小能量，是發(fā)射電子的最大動能，ν0 是發(fā)生光電效應的閾值頻率，m 是發(fā)射電子的剩余質量，vm是發(fā)射的電子光子的速度。 注意：如果光子的能量（hν）不大于功函數（ψ），則不會發(fā)射電子。 功函數有時標記為 W。當該方程與觀察結果不一致時（即沒有電子被噴射或電子的動能小于預期），可能是因為一些能量以熱或輻射的形式損失了。
量子解釋：
1905年，愛因斯坦進一步推廣了普朗克的量子化概念。 他指出：不僅黑體與輻射場之間的能量交換是量子化的，而且輻射場本身也是由不連續(xù)的光量子組成的。 每個光量子的能量與輻射場的頻率滿足ε=hν，即其能量只與光量子的頻率有關，與強度（振幅）有關。
根據愛因斯坦的光量子理論，發(fā)射到金屬表面的光本質上是能量為ε=hν的光子流。 如果照射光的頻率太低，即光子流中每個光子的能量較小，當它照射金屬表面時，電子吸收這個光子，它所添加的能量ε=hν仍然較少比離開金屬表面的電子的能量。 如果需要必要的功函數，電子就無法從金屬表面逃逸，因此無法產生光電效應。 如果照射光的頻率足夠高，使電子吸收足夠的能量來克服功函數并脫離金屬表面，就會發(fā)生光電效應。 此時，發(fā)射電子的動能、光子能量和功函數之間的關系可以表示為：光子能量-移走一個電子所需的能量（功函數）=發(fā)射的最大初始動能電子。
即：Εk(max)=hv-W0
這就是愛因斯坦的光電效應方程。
其中，h為普朗克常數； v 是入射光子的頻率
Φ是功函數，是指從原子鍵上移走電子所需的最小能量。 該表達式如右圖所示，其中F0是發(fā)生光電效應的閾值頻率，即極限頻率； 有時用W或a標記工作函數。
動能表達
E（kmax）是逃逸電子的最大動能，如右圖所示。 m是發(fā)射電子的其余質量； VM是發(fā)射電子逸出時的初始速度。
根據愛因斯坦的光量子理論，光電效應中光電子的能量取決于照射光的頻率，與輻照光的強度無關。 因此，它可以解釋第一個和
第二篇文章：限制頻率是指光量子的能量足以克服金屬的工作函數的光量子頻率。 不同的金屬需要不同的能量才能逃脫，因此不同金屬的限制頻率不同。
第3條：當光量子的能量足夠，無論光強度如何（僅取決于光量子的數量）時，電子在吸收光量子后可以立即逸出，因此可以立即產生光電效應需要積累過程。 當光在金屬表面上發(fā)光時，強度越大，光子的數量越大，并且它被金屬中的電子吸收的可能性越大。 因此，可以解釋為什么彈出的電子數量僅與光的強度有關，而與光的性質無關。 頻率無關緊要。
原始出版時間：2017.03.13