普朗克提出電磁波攜帶的能量是量子化的，不同頻率電磁波的能量量子為hν，但他并沒(méi)有提到電磁波為什么會(huì)出現(xiàn)這一份一份的能量單元，而且他認(rèn)為這一份一份的能量單元仍然是一種振動(dòng)的波。
愛(ài)因斯坦則敏銳地認(rèn)識(shí)到，這一份一份的能量單元里大有文章。當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道光是一種電磁波，他把黑體輻射和光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合起來(lái)考慮，又思考了牛頓的光粒子學(xué)說(shuō)，從而認(rèn)識(shí)到，如果把這一份一份的能量量子看作是粒子，光通過(guò)具有粒子性的能量量子進(jìn)行傳播并與物質(zhì)發(fā)生相互作用，則光電效應(yīng)問(wèn)題迎刃而解。愛(ài)因斯坦將這種能量點(diǎn)粒子稱為光量子，后來(lái)人們改稱為光子。
愛(ài)因斯坦給出了光子的能量公式，即，E=hν
式中，E為每個(gè)光子的能量，ν為光的頻率。
1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了闡述這一觀點(diǎn)的論文，題為《關(guān)于光的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》。他在論文中將光電效應(yīng)作為光子理論的一個(gè)事例進(jìn)行了解釋，并從理論上推導(dǎo)出了描述光電效應(yīng)的光電方程。
他在論文中這樣寫(xiě)道：
“在我看來(lái)，關(guān)于黑體輻射、光致發(fā)光、光電效應(yīng)以及其他一些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，如果用光的能量在空間中不是連續(xù)分布的這種假說(shuō)來(lái)解釋，似乎就更好理解。按照我的假設(shè)，從點(diǎn)光源發(fā)射出來(lái)的光束的能量在傳播中不是連續(xù)分布在越來(lái)越大的空間之中，而是由個(gè)數(shù)有限的、局限在空間各點(diǎn)的能量量子所組成，這些能量量子能夠運(yùn)動(dòng)，但不能再分割，而只能整個(gè)地被吸收或產(chǎn)生出來(lái)?！?/p>
光子學(xué)說(shuō)可以很好地解釋光電效應(yīng)。因?yàn)槊恳粋€(gè)光子的能量都是固定的hν，那么光照射到金屬表面，金屬所受到的打擊主要取決于單個(gè)光子的能量而不是光的強(qiáng)度，光的強(qiáng)度只是光子流的密度而已。
打比方來(lái)說(shuō)，光子就是子彈，能否打穿鋼板只取決于子彈的動(dòng)能，而與子彈的發(fā)射密度無(wú)關(guān)。如果是大口徑步槍，一顆子彈就能擊穿鋼板，如果是玩具手槍射出的塑料子彈，一百把手槍同時(shí)發(fā)射也打不穿鋼板。
在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，紫外線就是大口徑步槍的子彈，可見(jiàn)光就是玩具手槍的子彈，所以很弱的紫外線就可打出電子，而再?gòu)?qiáng)的可見(jiàn)光也打不出電子，因?yàn)榭梢?jiàn)光的強(qiáng)度高只不過(guò)意味著塑料子彈密集發(fā)射而已。
因?yàn)楣庾幽芰渴莌ν，所以被光子打出來(lái)的電子的動(dòng)能就與光的頻率ν成正比，而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。
1909年，愛(ài)因斯坦在一次國(guó)際會(huì)議上進(jìn)一步提出光子應(yīng)該具有動(dòng)量。1916年，他在另一篇論文《關(guān)于輻射的量子論述》中給出了光子的動(dòng)量公式為，
p=h/λ
式中，p為每個(gè)光子的動(dòng)量，λ為光的波長(zhǎng)。
其實(shí)推導(dǎo)光子的動(dòng)量公式對(duì)愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)相當(dāng)容易，他將自己的得意之作狹義相對(duì)論中的質(zhì)能方程用在光子身上，得到光子動(dòng)能為，
E=mc2
而在他的光量子理論中光子動(dòng)能為，
E=hν=hc/λ
二者聯(lián)立起來(lái)，就得到，
p=mc=h/λ
式中，c為光速，它既是光子運(yùn)動(dòng)的速度，也是電磁波傳播速度。
在此愛(ài)因斯坦巧妙地將代表波動(dòng)性的能量公式E=hν和代表粒子性的能量公式E=mc2結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了波動(dòng)性和粒子性這兩種表現(xiàn)形式的統(tǒng)一。
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