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愛因斯坦
愛因斯坦,繼伽利略、牛頓以來最偉大的物理學(xué)家,阿爾伯特·愛因斯坦(AlbertEinstein),1879年3月14日出生于德國符騰堡王國烏爾姆市,猶太裔物理學(xué)家。1900年畢業(yè)于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院,1905年,創(chuàng)立狹義相對(duì)論,獲蘇黎世大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位,1915年創(chuàng)立廣義相對(duì)論。愛因斯坦提出光子假設(shè),成功解釋了光電效應(yīng),因此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
愛因斯坦1955年4月18日去世,享年76歲。他為核能開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ),開創(chuàng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)新紀(jì)元,被公認(rèn)為是繼伽利略、牛頓以來最偉大的物理學(xué)家。1999年12月26日,愛因斯坦被美國《時(shí)代周刊》評(píng)選為“世紀(jì)偉人”。
利用光的波動(dòng)性可以解釋很多現(xiàn)象,就像麥克斯韋方程組那樣,但是很多時(shí)候光的行為并不像一個(gè)波,而更像是由許多微粒組成的集合體,這種微粒稱為光子——一個(gè)攜帶光能量的量子(Quantum)概念,這種量子概念假設(shè)由普朗克(Planck)于1900年在解決黑體輻射這個(gè)令人困擾已久的問題時(shí)首先提出,他指出,必須假定,能量在發(fā)射和吸收的時(shí)候,不是連續(xù)不斷的,而是分成一份一份的。為此,1918年普朗克榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1905年,愛因斯坦(1879—1955年)提出單色光的最小單位是光子,光子能量可用普朗克方程來描述
式中,h是普朗克常數(shù),單位焦耳·秒(J·s);ν是光頻,光束的顏色取決于光子的頻率,而光強(qiáng)則取決于光子的數(shù)量。光子能量E與它的頻率ν成正比,光子頻率越高,光子能量越大。光子能量用電子伏特(eV)表示,1eV就是一個(gè)電子電荷經(jīng)過1V電位差時(shí),電場(chǎng)力所做的功。
像所有運(yùn)動(dòng)的粒子一樣,光子與其他物質(zhì)碰撞時(shí)也會(huì)產(chǎn)生光壓。光也是一種能量的載體,當(dāng)光子流打到物質(zhì)表面上時(shí),它不但要把能量傳遞給對(duì)方,也要把動(dòng)量傳遞給對(duì)方。由于量子化效應(yīng),每個(gè)電子只能整份地接受光子的能量,而且也遵守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。為了驗(yàn)證上述說法的正確性,可用圖2.1.2b表示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)抽成真空的玻璃容器內(nèi),裝有陽極A和金屬鋅板的陰極K。兩個(gè)電極分別與電流計(jì)G、伏特計(jì)V和電池組B連接。當(dāng)光子照射到陰極K的金屬表面上時(shí),它的能量被金屬中的電子全部吸收,如果光子的能量足夠大,大到可以克服金屬表面對(duì)電子的吸引力,電子就能跑出金屬表面,在加速電場(chǎng)的作用下,向陽極A移動(dòng)而形成電流。這種現(xiàn)象就叫作光電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明,使用可見光照射時(shí),不論光的強(qiáng)度多么大,照射時(shí)間多么久,電流計(jì)總是沒有電流;但使用紫外光照射時(shí),不論光的強(qiáng)度多么微弱,照射時(shí)間多么短暫,電流計(jì)總是有電流,說明金屬板上有電子跑出來。這是因?yàn)榭梢姽獾念l率低,光子能量小,小于鋅的電子溢出功;而紫外光的頻率高,光子能量大,大于鋅的電子溢出功。
愛因斯坦將這種現(xiàn)象解釋為量子化效應(yīng):金屬被光子擊出電子,每一個(gè)光子都帶有一部分能量E,這份能量對(duì)應(yīng)光的頻率ν,光束的顏色取決于光子的頻率,而光強(qiáng)則取決于光子的數(shù)量。由于量子化效應(yīng),每個(gè)電子只能整份地接受光子的能量,因此,只有高頻率的光子(藍(lán)光,而非紅光)才有能力將電子擊出。
愛因斯坦(圖2.1.7)因?yàn)樗墓怆娦?yīng)理論獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
光在不同的介質(zhì)中具有不同的傳播速度,在真空中它以最大的速度直線傳播,光子能量E可用質(zhì)能方程描述,即
式中,m是光子質(zhì)量,單位為kg;c是光速,單位為km/s。頻率ν、波長(zhǎng)λ和光速c的關(guān)系為