愛因斯坦的光子論及其意義

摘 要：愛因斯坦的光子論是站在粒子說的角度上提出的，他是粒子說的代表人物。本文介紹了愛因斯坦光子論的提出背景，并闡述了其主要內(nèi)容和重要意義，以期為廣大研究光子 理論的學(xué)者提供參考。

關(guān)鍵詞：愛因斯坦；光子論；意義

一、愛因斯坦光子論的提出背景

在光學(xué)的發(fā)展史上，曾有過“微粒說”和“波動(dòng)說”相爭(zhēng)的局面，其中微粒說以牛頓和愛因斯坦為代表，波動(dòng)說則以麥克斯韋和惠更斯.楊.菲涅耳為代表。微粒說認(rèn)為光的本質(zhì)是微粒，即現(xiàn)在所稱的“光子”；波動(dòng)說認(rèn)為光是由一種叫“以太”的介質(zhì)快速振動(dòng)所產(chǎn)生的。

微粒說的出現(xiàn)早于波動(dòng)說，最早由牛頓在十八世紀(jì)初期提出。他認(rèn)為光是由發(fā)光體發(fā)出的微粒所構(gòu)成的。牛頓通過實(shí)驗(yàn)，不僅發(fā)現(xiàn)光經(jīng)過棱鏡出現(xiàn)牛頓環(huán)、色散、衍射現(xiàn)象以及經(jīng)過晶體變成雙折射等現(xiàn)象，而且還發(fā)現(xiàn)具有直線傳播的特點(diǎn)，并認(rèn)為粒子從光源往外飛，通過均勻物質(zhì)形成等直線運(yùn)動(dòng)。牛頓的微粒說可以完整地解釋了光的反射定律，但是在解釋光的折射定律時(shí)，卻遇到了難題。微粒說只能解釋一些特殊的折射現(xiàn)象，對(duì)于一般情況下的折射卻無法解釋。包括牛頓發(fā)現(xiàn)的牛頓環(huán)也無法得到合理的解釋。與此同時(shí)，光的波動(dòng)說對(duì)微粒說造成了沖擊，由最初的以太波動(dòng)理論發(fā)展到后來的電磁波動(dòng)理論。然而不管是哪種光學(xué)理論，似乎都存在一些漏洞。

正當(dāng)“微粒說”和“波動(dòng)說”難分秋色之時(shí)，愛因斯坦在20世紀(jì)初基于普朗克的量子理論，發(fā)表了論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》，提出了光量子假說（也就是光子論），此理論完全沒有考慮以太的存在，并合理有效地解釋了光電效應(yīng)的四大規(guī)律，具有劃時(shí)代的意義。

二、愛因斯坦光子論的內(nèi)容

20世紀(jì)初愛因斯坦在德國(guó)物理報(bào)刊上發(fā)表了論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》，此論文闡述了光量子假說。在論文的開頭，愛因斯坦就認(rèn)為電磁波理論雖然能解釋某些光的現(xiàn)象，但是并不能解釋全部現(xiàn)象，其理論仍存在諸多矛盾。愛因斯坦認(rèn)為光不僅在發(fā)射和吸收中存在不連續(xù)的現(xiàn)象，而且在空間的傳播過程中也不連續(xù)，這些不連續(xù)的能量子被他稱作“光量子”。為了證明光量子假說，愛因斯坦采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行了推導(dǎo)。常溫條件下，當(dāng)體積為V0的n個(gè)氣體分子被限定在一定體積范圍中，引起熵S的有限可逆變化如下：

在以上光量子假說的基礎(chǔ)上，愛因斯坦進(jìn)一步明確：光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換規(guī)律似乎也能按照以上方式建立，光也是由以上假設(shè)的能量子所組成的。也就是說，光量子假說關(guān)乎自由電磁輻射的量子特征；把光的特征推廣到光和物質(zhì)間相互作用構(gòu)成了啟發(fā)性原理。以上這些發(fā)現(xiàn)可以說意義重大。

愛因斯坦的光量子假說可以成功解釋光電效應(yīng)，具體解釋如下：

基于啟發(fā)性原理，愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了整理：一個(gè)光量子把其所有能量傳給一個(gè)電子，這個(gè)光量子傳遞的能量獨(dú)立于其他光量子，某物體內(nèi)部躍遷的電子在到達(dá)物體表面之前，會(huì)損失能量，假設(shè)能量損失等于零時(shí)，躍遷的電子能量為Emax，可以得下面的關(guān)系式：

Emax=hv-P ③式

上式中，v代表輻射頻率，P代表從表面躍遷的電子需要的能量，此式子可以有效解釋光電效應(yīng)中躍遷的能量和光強(qiáng)沒有關(guān)系。

光電效應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)，使得愛因斯坦獲得了1922年的諾貝爾獎(jiǎng)。光量子理論提出后幾年，愛因斯坦再次發(fā)表論文，并在光量子假說的基礎(chǔ)上提出光具有波動(dòng)性和粒子性的特點(diǎn)，這是愛因斯坦首次對(duì)波粒二象性學(xué)說的探討，這一學(xué)說也成為現(xiàn)今最權(quán)威的學(xué)說。

三、愛因斯坦光子論的革命意義

量子論在20世紀(jì)初的發(fā)展，可以說是一場(chǎng)偉大的革命，它一次次推翻了舊的物理學(xué)秩序，量子論建立在經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上，依靠一些有趣的發(fā)明和法則，盡管體系不夠完備，但是在和傳統(tǒng)的理論斗爭(zhēng)時(shí)，也具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，可見量子理論的出現(xiàn)具有建設(shè)性和劃時(shí)代的意義，然而時(shí)代的發(fā)展，20世紀(jì)初的量子理論也被稱為“舊”的理論。

愛因斯坦在光量子假說提出后，遭遇了強(qiáng)烈的阻力。這位科學(xué)家完全是從一個(gè)全新的角度思考問題，推翻了光的本質(zhì)，并且大膽質(zhì)疑具有強(qiáng)大支持力量的麥克斯韋的電磁理論。光量子理論雖然合理解釋了光電效應(yīng)的規(guī)律，但是卻遭到了物理學(xué)界強(qiáng)大阻力，就連量子理論的奠基者普朗克也提出了反對(duì)意見。哪怕是十年后光電效應(yīng)被證實(shí)的情況下，還是有許多人不接受光量子的存在，稱其“毫無根據(jù)”。光的波粒二象性在當(dāng)時(shí)也很難被人理解，尤其是不符合物理形象的審美觀，物理方程中也沒有解釋二象性的方程式。

1926年物理化學(xué)家劉易斯在自己所著的《光子的守恒》中提出了“光子”一詞，從此“光子”一詞便代替了“量子”，由此愛因斯坦的光量子理論也被稱作光子論。另外，1923年的康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)光的波粒二象性進(jìn)行了清晰的證明，并且得到了光子被靜止電子散射的相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。此后，光量子理論便發(fā)展成了光的波粒二象性學(xué)說，并得到物理學(xué)界的普遍認(rèn)可。

四、結(jié)語(yǔ)

愛因斯坦光子論的提出，沖破了傳統(tǒng)物理學(xué)理論的桎梏，對(duì)普朗克的量子論進(jìn)行了繼承發(fā)展，對(duì)麥克斯韋的電磁理論進(jìn)行了大膽質(zhì)疑。在光學(xué)的發(fā)展史上，光子論是一顆璀璨的明珠，照亮了光學(xué)的發(fā)展方向，對(duì)光的波粒二象性學(xué)說的提出了奠定了基礎(chǔ)，具有強(qiáng)大的建設(shè)性和劃時(shí)代的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高選樹等.從牛頓粒子說到愛因斯坦光子論[J].川北教育學(xué)院院刊，2011.

[2] 王武生.用波動(dòng)理論對(duì)光電效應(yīng)的重新解釋[J].發(fā)明與革新，2012.

[3] 楊繼林等.“光電效應(yīng) 光子”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2013.

作者簡(jiǎn)介：

楊盛翔（1994-），男，遼寧瓦房店人，沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理學(xué)專業(yè)。