对经典光粒子论做出重要贡献的两位科学家（左）和艾萨克（右）
我们先来谈谈光子：
光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是规范玻色子。 光子是电磁辐射的载体，在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介。 与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着它在真空中以光速传播。 与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子可以表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质； 光子的粒子性可以通过光电效应来证明。 光子只能传输量子化的能量，是晶格粒子和圈量子粒子的质能相态。
量子电动力学建立后，证实光子是传递电磁相互作用的介质粒子。 带电粒子通过发射或吸收光子相互作用。 成对的正负带电粒子可以湮灭并转化为光子。 它们也可以在电磁场中产生。
光子是光中携带能量的粒子。 光子的能量与光波的频率成正比。 频率越高，能量越高。 当光子被原子吸收时，电子获得足够的能量从内轨道跃迁到外轨道，发生电子跃迁的原子从基态变为激发态。
光子具有能量、动量和质量。 根据质能方程E=mc2=hν，可得m=hν/c2爱因斯坦光电效应方程式，
由于光子不能静止，因此它没有静止质量。 这里的质量是光子的相对论质量。
根据量子场论，一对反粒子可以湮灭成一对高能伽马光子，而一对高能伽马光子在高温下也可以发生反应，产生一对反粒子。 例如，光子转化为重子（例如质子和中子）可以在 T=1015K 的温度下发生。 正电子-负电子散射（也称为Bha-Bha散射）用费曼图表示，波浪线表示交换虚光子的过程。
另请参阅：狭义相对论
从波的角度来看，光子有两种可能的偏振态和三个正交的波矢量分量，这决定了它的波长和传播方向； 从粒子的角度来看，光子的静止质量为零，电荷为零，半衰期无限长。 光子是自旋为1的规范玻色子，因此轻子数、重子数和奇异数均为零。
光子的静止质量严格为零，这本质上等价于库仑定律严格的平方反比距离关系。 如果光子的静止质量不为零，则库仑定律就不是严格的平方反比定律。 所有相关的经典理论，例如麦克斯韦方程组和电磁场的拉格朗日方程，都依赖于光子的剩余质量严格为零的假设。 由爱因斯坦的质能关系和光量子能量公式可以粗略得到光子质量的上限：m=hν/c2
这里，m是光子质量的上限，ν是任何电磁波的频率，超低频段舒曼共振的已知最低频率约为7.8 Hz（赫兹）。 该值仅比当今获得的广泛接受的上限高两个数量级。
参见光子：规范玻色子
光子可以在许多自然过程中产生。 例如，当分子、原子或原子核从高能级跃迁到低能级时电荷加速时，就会发射光子。 当粒子和反粒子湮灭时也会产生光子。 在上述时间的反转过程中，可以吸收光子，即分子、原子或原子核从低能级跃迁到高能级，从而产生粒子对和反粒子对。
光子在真空中的速度就是光速，能量E与动量p的关系为p=E/c； 在相对论力学中，静态质量是
粒子的能量动量关系为：
光子的能量和动量仅与光子的频率ν有关； 或仅针对波长 λ。 因此，光子的动量为p=h/λ=hv/c。 其中 h 称为普朗克常数。
詹姆斯·克拉克 (James Clerk) 撰写了麦克斯韦方程及其部分解，其中真空中的光速由两个已知参数决定：真空磁导率和真空介电常数。
由光子的能量和动量公式可以得出推论：
粒子及其反粒子的湮灭过程必须产生至少两个光子。 原因是质心系统中粒子及其反粒子组成的系统的总动量为零。 由于能量守恒定律，产生的光子的总动量也必须为零； 由于单个光子总是具有非零大小的动量，因此系统只能产生两个或多个光子来满足总动量为零。 产生光子的频率，即它们的能量，由能量动量守恒定律（四个维度的动量守恒）决定。 从能量和动量守恒定律，我们知道粒子和反粒子湮灭的逆过程，即两个光子产生电子-反电子对的过程，在真空中不可能自发发生。
光子具有波粒二象性：
也就是说，光子一一具有粒子的特性和像声波一样的波动性。 当时间为瞬时值时，光子以粒子的形式传播； 当时间为平均值时英语作文，光子以波的形式传播。 光子的波动性由光子的衍射证明，光子的粒子性由光电效应证明。
上面有人认为光子的动态质量为零，这是错误的。 光子的静态质量为零，否则其动态质量将为无穷大。 但它的动态质量确实存在，计算方法如下：首先，由于频率为v的光子的能量为E=hv，（其中h为普朗克常数），因此可以通过质能公式得到它的质量为： m=E/c2=hv/c2 其中 c2 表示光速的平方。 这个方法最早是由爱因斯坦提出的。
光电效应：
光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。 在高于一定频率的电磁波照射下，某些材料内部的电子会被光子激发，形成电流，即光电。 光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，正确的解释由爱因斯坦提出。 在科学家研究光电效应的过程中，物理学家对光子的量子特性有了更深入的认识，这对波粒二象性的概念产生了重大影响。
当紫外线照射到金属表面时，可使金属发射带电粒子电流，从而产生光能发电。 这种神奇的现象，后来被称为光电效应，原来是赫兹实验中的一个意外发现。 伦纳德得到了一个无法用经典物理学解决的想法。 为了解释实验结果，爱因斯坦极具想象力的理论解释并没有得到学术界的支持，因为它没有直接的实验数据支持。 然而，想要用实验来证明爱因斯坦理论是错误的密立根，花了10年的时间进行实验。 证实了爱因斯坦的理论是正确的。 20世纪物理学的发展史充分证明了光电效应这一意外发现的巨大科学价值。
Εk =hν－Wo (Wo 为功函数)
如果入射光子的能量hν大于功函数Wo，那么部分光电子在离开金属表面后仍然具有残余能量，这意味着部分光电子具有一定的动能。 由于不同的电子脱离某种金属所需的功不同，因此它们吸收光子的能量并逃离金属后剩余的动能也不同。 由于功函数Wo是指从原子键上移走一个电子所需的最小能量，如果用Ek来表示动能最大的光电子的动能，则有如下关系： Ek =hν - W o （其中，h代表普朗克常数，ν代表入射光的频率），这种关系通常被称为爱因斯坦光电效应方程。 即：光子能量=除去电子所需的能量（功函数）+发射电子的动能。
当光子能量等于功函数时，电子的动能为零。 尽管电子会逃逸，但它们仍会保留在金属表面。
爱因斯坦和他的光电效应方程
当光电效应发生时，电子在克服金属核的引力并逃逸时具有不同的动能。 金属表面电子吸收光子并逸出时动能的最大值称为最大初始动能。
做光电效应实验及其实验示意图
电子吸收光子的能量后，可能会向各个方向移动，有些在金属内部移动，有些则向外移动。 由于距离不同，电子逸出时损失的能量不同，因此它们离开金属表面时的初始动能也不同。 只有直接从金属表面飞出的电子具有最大的初始动能。 此时，光电子克服原子核引力所做的功称为金属的功函数。
没想到发现了奇怪的效果
1886年10月，德国的海因里希·赫兹（ Hertz，1857-1894）正忙于进行火花放电实验，以证实麦克斯韦的电磁理论。 他的实验装置由两组放电电极组成，一组用于产生振荡并发射电磁波；另一组用于产生振荡并发射电磁波。 另一个充当接收器。 赫兹仔细观察了两个放电火花之间的干扰现象及其影响因素，并测试了电磁波的存在。 研究电磁波特性的实验相当成功，但赫兹并不满足，仍在思考改进实验设备。
德国物理学家海因里希·赫兹（图片来自网络）
赫兹实验的电路图（图片来自网络）（a和e为感应线圈，b为电池，感应线圈a连接电极d，感应线圈e连接电极f，c为水银开关，p 是分区）
1886年12月上旬，为了便于观察，他不小心用暗盒盖住了接收器部分。 在实验过程中，他意外地发现接收电极之间的放电火花变短了。 这种罕见的现象让赫兹感到困惑。 他设置了不同的实验条件，继续进行详细的观察。 他改变两组电极之间的距离，改变接收器周围的气压，分别屏蔽两组电极，用不同光谱区域、不同光源的光照射接收器，在接收器之间插入不同材质的金属板两组电极等，最后发现这种现象既不是电磁屏蔽也不是可见光照射造成的，而是紫外线照射到负极时可以看到最明显的效果。 1887年，赫兹在《物理学年鉴》上发表了一篇题为“论紫外线对放电的影响”的论文，描述了他的发现。 这篇论文引起了广泛的反响，并吸引了许多物理学家研究这一现象。
赫兹后来回顾这次经历说：“光与电现象之间如此直接的相互作用关系仍然极为罕见”，“这是一种令人惊讶且完全无知的效应”。 这种将光能转化为电能的奇特效应后来被称为光电效应。
无法解释的实验结果
1891年，德国的安东·冯·莱纳德（Anton von Lénárd，1862-1947）在赫兹的指导下开始研究阴极射线的特性，但他对赫兹发现的光电效应也很感兴趣。 1902年，在阴极射线研究取得突破后，伦纳德将研究方向转向光电效应。 他用实验研究了光电效应产生过程中相关物理量之间的关系，发现了一个重要规律：光电效应产生的光电子数量随着入射光强度的增加而增加，但光电子的速度却增加，或者说它们的动能只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关。 伦纳德的实验结果无法用经典物理学来解释，并且与当时的物理学理论相冲突。 根据经典理论，电子从光能中接收动能。 光越强，能量越大，电子的速度越快。
德国物理学家菲利普·伦纳德（图片来自网络）
很有想象力的理论
1905年3月，26岁的犹太人阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）还是瑞士伯尔尼专利局的三级技术员。 受到普朗克量子假说的启发，他非常富有想象力地运用了它。 相对论和光量子论解释了伦纳德光电效应实验的结果，并列出了光电方程。 他在德国《物理年鉴》上发表了题为“关于光的产生和转变的尝试性观点”的论文。
为什么光电子能量只与入射光的频率有关而与入射光的强度无关？ 如果入射光束的强度较弱，但只要其频率足够高，就会产生一些高能光子，促使束缚电子逃逸。 然而，如果强辐照度的入射光束的频率低于某个临界频率，则无法提供任何高能光子来促进束缚电子的逃逸。
爱因斯坦的这些讨论与詹姆斯·麦克斯韦的光波动论相冲突，无法解释光波的折射和相干性（光的波动论已经在理论上经过了严格的检验，并通过精确的实验得到了证明），而且这种讨论与“无限可分性”相矛盾。物理系统中能量的假说也是矛盾的。 另外，爱因斯坦的理论分析没有直接的实验数据支持，因此没有得到当时学术界的支持和理解。
犹太物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（图片来自网络）
经过10年的实验验证
美国人罗伯特·密立根（1868-1953）注意到了爱因斯坦的论文，但他并不认同爱因斯坦的理论。 接下来的十年里，他花费了大量的精力进行光电效应的实验研究，希望进一步证明经典理论的正确性。 他的实验技术高超，对光电效应中的几个重要物理量进行了精确测量。
美国物理学家罗伯特·密立根（图片来自网络）
密立根实验装置示意图（图片来自网络）
密立根的实验结果：6条曲线分别对应汞的6条特征谱线（横坐标为电压，纵坐标为光电流）（图片来自网络）
1916年，密立根发表了他的实验结果，列出了六种不同频率的单色光测得的反向电压截止值的曲线以及频率关系，验证了爱因斯坦1905年提出的光电方程。爱因斯坦的理论是正确的。
爱因斯坦高度评价密立根的光电效应实验。 他指出：“我感谢密立根对光电效应的研究，该研究首次决定性地证明了固体在光的影响下发射的电子与光的振动有关。周期性是量子理论的结果，是辐射粒子结构所独有的。”
正是由于密立根全面证实了爱因斯坦的光电方程，光电效应在理论和实验上都得到了证实，光量子论开始得到学术界的认可。 20世纪物理学的发展史也充分证明了这个光电效应的意外发现具有巨大的科学价值。
爱因斯坦因其“在理论物理方面的成就，特别是光电效应定律的发现”而获得1921年诺贝尔物理学奖，而密立根则因其“在基本电荷和光电效应方面的工作”而获得1923年诺贝尔物理学奖。 物理奖。 近百年来，基于光电效应的各类光电探测器已广泛应用于科研、军事、冶金、电子、机械、化工、地质勘探、医疗、生物医学、环境监测等领域。
数学推导：
光束中光子所拥有的能量与光的频率成正比。 如果金属中的自由电子吸收光子的能量，并且这个能量大于或等于与金属相关的某个能量阈值（阈值）（称为金属的功函数），那么该电子就有足够的能量能量将从金属中逸出并变成光电子； 如果能量不足，电子就会释放能量，能量又变成光子离开。 电子能量将恢复到被吸收之前的水平爱因斯坦光电效应方程式，并且无法从金属中逸出。 增加光束的辐照度会增加光束中光子的“密度”，同时激发更多的电子，但不会导致每个激发的电子通过吸收更多的光子来获得更多的能量。 也就是说，光电子的能量与辐照度无关，只与光子的能量和频率有关。
光束照射的电子将吸收光子的能量，但其机制遵循“全有或全无”的标准。 光子的所有能量必须被吸收以克服功函数，否则该能量将被释放。 如果电子吸收的能量能够克服功函数，还有剩余能量，那么这个剩余能量将成为电子发射后的动能。
功函数W是从金属表面发射光电子所需的最小能量。 如果从频率的角度换算，光子的频率必须大于金属特性的极限频率，才能给予电子足够的能量来克服功函数。功函数与极限频率v0的关系为
W=h*v0
其中，h为普朗克常数，为光频率h*v0的光子的能量。
克服功函数后，光电子的最大动能Kmax为
Kmax=hv-W=h（v-v0）
其中，hv是光频率v的光子携带并被电子吸收的能量。
实际物理学要求动能必须为正。 因此，光的频率必须大于或等于光电效应发生的极限频率。
§1 关于“黑体辐射”理论的一个难点
我们首先从麦克斯韦理论和电子论的角度来考察以下情况。 假设在完全反射墙包围的空间中有一定数量的气体分子和电子。 它们可以自由移动，当它们彼此非常接近时，它们会相互施加保守力。 也就是说，它们可以像气体[分子]运动理论中的气体分子相互碰撞一样。 此外，还假设一定数量的电子通过一定的力束缚在该空间中一些相距较远的点上。 力的方向指向这些点，其大小与电子和每个点之间的距离成正比。
当自由[气体]分子和电子非常接近这些[束缚]电子时，这些电子与自由分子和电子之间也应该发生保守[力]相互作用。 我们将这些束缚在空间点上的电子称为“振荡器”； 它们发射一定周期的电磁波并吸收相同周期的电磁波。
根据现代对光产生的看法，根据麦克斯韦理论，我们正在研究的空间中处于动态平衡的辐射应该完全等同于“黑体辐射”——至少当我们考虑具有应考虑频率的一切时。 当所有振荡器都被视为存在时就是这种情况。
我们暂时不考虑振荡器发射和吸收的辐射，而是深入研究与分子和电子相互作用（或碰撞）兼容的动态平衡条件问题。 气体[分子]运动理论提出的动态平衡条件是：电子振子的平均动能必须等于气体分子平动运动的平均动能。如果我们将电子振子的运动分解为三个相互垂直的[分钟]振动，然后我们找到这样一个线性[分钟]振动的能量平均值
为了
这里 R 是绝对气体常数，N 是克当量的“真实分子”数量，T 是绝对温度。由于振荡器的动能和势能随时间的平均而相等，因此能量
等于自由单原子气体分子的动能
如果现在由于任何原因 - 在我们的例子中由于辐射过程 - 振荡器的能量大于或小于
时间平均，那么它与自由电子和分子的碰撞将导致气体平均获得或损失不等于0的能量。因此，在我们正在考虑的情况下，只有当每个振荡器具有平均能量时
只有当动态平衡是可能的时候。
我们进一步对振荡器与空间中存在的辐射之间的相互作用进行类似的考虑。 普朗克先生曾经假设辐射可以被视为可以想象的最无序的过程。 在这个假设下，他推导出了这种情况下动态平衡的条件。 他找到：
这里
是具有固有频率 ν 的振荡器（每个振动分量）的平均能量，c 是光速，ν 是频率，并且
是 ν 和之间的频率
单位体积辐射的能量介于两者之间。
如果频率为ν的辐射能量一般既不连续增加也不连续减少，则有以下公式
必须成立。
这种作为动态平衡条件的关系不仅不符合经验，而且还表明，在我们的图像中，不可能谈论以太和物质之间的任何确定的能量分布。 因为振子的振动数范围越宽，在空间中辐射的能量就越大，极端情况下我们得到：
§2.关于普朗克基本常数的确定
接下来我们要指出的是，普朗克先生对基本常数的确定在一定程度上与他创立的黑体辐射理论无关。
到目前为止所有的经历都令人满意
普朗克公式为：
在，
对于大
值，即对于较大的波长和辐射密度，该公式在极限情况下变为以下形式：
可见，该公式与§l中利用麦克斯韦理论和电子理论得到的公式是一致的。 通过使这两个公式的系数相等，我们得到：
或者
这意味着一个氢原子的重量
公克
公克。 这正是普朗克先生得到的值，并且与通过其他方法获得的这个量的值令人满意地吻合。
因此我们得出结论，辐射的能量密度和波长越大，我们使用的理论基础就越适用； 然而，对于小波长的小辐射密度，我们的理论基础完全不适用。
以爱因斯坦方式量化光电效应时，使用以下方程： 光子能量 = 移出电子所需的能量 + 发射电子的动能 代数形式： 其中 h 是普朗克常数，ν 是入射光子的频率，为功函数，即从原子键中移除电子所需的最小能量，是发射电子的最大动能，ν0 是发生光电效应的阈值频率，m 是发射电子的剩余质量，vm是发射的电子光子的速度。 注意：如果光子的能量（hν）不大于功函数（ψ），则不会发射电子。 功函数有时标记为 W。当该方程与观察结果不一致时（即没有电子被喷射或电子的动能小于预期），可能是因为一些能量以热或辐射的形式损失了。
量子解释：
1905年，爱因斯坦进一步推广了普朗克的量子化概念。 他指出：不仅黑体与辐射场之间的能量交换是量子化的，而且辐射场本身也是由不连续的光量子组成的。 每个光量子的能量与辐射场的频率满足ε=hν，即其能量只与光量子的频率有关，与强度（振幅）有关。
根据爱因斯坦的光量子理论，发射到金属表面的光本质上是能量为ε=hν的光子流。 如果照射光的频率太低，即光子流中每个光子的能量较小，当它照射金属表面时，电子吸收这个光子，它所添加的能量ε=hν仍然较少比离开金属表面的电子的能量。 如果需要必要的功函数，电子就无法从金属表面逃逸，因此无法产生光电效应。 如果照射光的频率足够高，使电子吸收足够的能量来克服功函数并脱离金属表面，就会发生光电效应。 此时，发射电子的动能、光子能量和功函数之间的关系可以表示为：光子能量-移走一个电子所需的能量（功函数）=发射的最大初始动能电子。
即：Εk(max)=hv-W0
这就是爱因斯坦的光电效应方程。
其中，h为普朗克常数； v 是入射光子的频率
Φ是功函数，是指从原子键上移走电子所需的最小能量。 该表达式如右图所示，其中F0是发生光电效应的阈值频率，即极限频率； 有时用W或a标记工作函数。
动能表达
E（kmax）是逃逸电子的最大动能，如右图所示。 m是发射电子的其余质量； VM是发射电子逸出时的初始速度。
根据爱因斯坦的光量子理论，光电效应中光电子的能量取决于照射光的频率，与辐照光的强度无关。 因此，它可以解释第一个和
第二篇文章：限制频率是指光量子的能量足以克服金属的工作函数的光量子频率。 不同的金属需要不同的能量才能逃脱，因此不同金属的限制频率不同。
第3条：当光量子的能量足够，无论光强度如何（仅取决于光量子的数量）时，电子在吸收光量子后可以立即逸出，因此可以立即产生光电效应需要积累过程。 当光在金属表面上发光时，强度越大，光子的数量越大，并且它被金属中的电子吸收的可能性越大。 因此，可以解释为什么弹出的电子数量仅与光的强度有关，而与光的性质无关。 频率无关紧要。
原始出版时间：2017.03.13