光量子

光發生光電效應時，把發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

當光照射到某種物質上，引起這種物質的電性質發生變化，這種現象被稱為光電效應。剛剛發生光電效應的光的波長叫做極限波長，光的頻率叫做極限頻率。當只有當波長小于（包括等于）極限波長時，才會發生光電效應。極限波長的值只跟金屬材料有關，而跟光波的照射強度和照射時間沒有關系。而光量子的強度則取決于光的波長而與光強度無關。

光量子假說

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hν<W時，未發生光電效應。

hν=1/2mv²+W被稱為愛因斯坦方程，是愛因斯坦根據普朗克的量子學說提出了新的大膽假設：光不是連續的，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。同時又根據相對論的質能關系式，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，同時對光量子進行了闡述而獲得1921年諾貝爾物理獎。

光量子假說成功地解釋了光電效應。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于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，并且我認為，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杰出的貢獻。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愿望相反。1915年他宣告，他的實驗證實了愛因斯坦光電效應公式。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。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，康普敦效應的發現，有力地證實了光量子理論。

　　愛因斯坦的光量子理論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采取改良的態度，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，使人們終于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，為后來量子力學的建立奠定了基礎。