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愛(ài)因斯坦

      愛(ài)因斯坦，繼伽利略、牛頓以來(lái)最偉大的物理學(xué)家，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein），1879年3月14日出生于德國(guó)符騰堡王國(guó)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(ài)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(ài)因斯坦1955年4月18日去世，享年76歲。他為核能開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)，開(kāi)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(lái)最偉大的物理學(xué)家。1999年12月26日，愛(ài)因斯坦被美國(guó)《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(wèn)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(ài)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(lái)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(guò)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(shuō)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(yáng)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(yáng)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(jiàn)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(méi)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(shuō)明金屬板上有電子跑出來(lái)。這是因?yàn)榭梢?jiàn)光的頻率低，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(ài)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(ài)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