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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。

       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《時代周刊》評選為“世紀(jì)偉人”。

       利用光的波動性可以解釋很多現(xiàn)象，就像麥克斯韋方程組那樣，但是很多時候光的行為并不像一個波，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令人困擾已久的問題時首先提出，他指出，必須假定，能量在發(fā)射和吸收的時候，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。

       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就是一個電子電荷經(jīng)過1V電位差時，電場力所做的功。

       像所有運(yùn)動的粒子一樣，光子與其他物質(zhì)碰撞時也會產(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，它不但要把能量傳遞給對方，也要把動量傳遞給對方。由于量子化效應(yīng)，每個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量守恒定律。為了驗證上述說法的正確性，可用圖2.1.2b表示的實驗裝置進(jìn)行實驗。在一個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。兩個電極分別與電流計G、伏特計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，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電子的吸引力，電子就能跑出金屬表面，在加速電場的作用下，向陽極A移動而形成電流。這種現(xiàn)象就叫作光電效應(yīng)。實驗表明，使用可見光照射時，不論光的強(qiáng)度多么大，照射時間多么久，電流計總是沒有電流；但使用紫外光照射時，不論光的強(qiáng)度多么微弱，照射時間多么短暫，電流計總是有電流，說明金屬板上有電子跑出來。這是因為可見光的頻率低，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，每一個光子都帶有一部分能量E，這份能量對應(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）因為他的光電效應(yīng)理論獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎。

       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λ和光速c的關(guān)系為