爱因斯坦对光通信的贡献-光的粒子性

爱因斯坦

      爱因斯坦，继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家，阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein），1879年3月14日出生于德国符腾堡王国乌尔姆市，犹太裔物理学家。1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，1905年，创立狭义相对论，获苏黎世大学哲学博士学位，1915年创立广义相对论。爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理学奖。

       爱因斯坦1955年4月18日去世，享年76岁。他为核能开发奠定了理论基础，开创了现代科学技术新纪元，被公认为是继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家。1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

       利用光的波动性可以解释很多现象，就像麦克斯韦方程组那样，但是很多时候光的行为并不像一个波，而更像是由许多微粒组成的集合体，这种微粒称为光子——一个携带光能量的量子（Quantum）概念，这种量子概念假设由普朗克（Planck）于1900年在解决黑体辐射这个令人困扰已久的问题时首先提出，他指出，必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断的，而是分成一份一份的。为此，1918年普朗克荣获诺贝尔物理学奖。

       1905年，爱因斯坦（1879—1955年）提出单色光的最小单位是光子，光子能量可用普朗克方程来描述

式中，h是普朗克常数，单位焦耳·秒（J·s）；ν是光频，光束的颜色取决于光子的频率，而光强则取决于光子的数量。光子能量E与它的频率ν成正比，光子频率越高，光子能量越大。光子能量用电子伏特（eV）表示，1eV就是一个电子电荷经过1V电位差时，电场力所做的功。

       像所有运动的粒子一样，光子与其他物质碰撞时也会产生光压。光也是一种能量的载体，当光子流打到物质表面上时，它不但要把能量传递给对方，也要把动量传递给对方。由于量子化效应，每个电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动量守恒定律。为了验证上述说法的正确性，可用图2.1.2b表示的实验装置进行实验。在一个抽成真空的玻璃容器内，装有阳极A和金属锌板的阴极K。两个电极分别与电流计G、伏特计V和电池组B连接。当光子照射到阴极K的金属表面上时，它的能量被金属中的电子全部吸收，如果光子的能量足够大，大到可以克服金属表面对电子的吸引力，电子就能跑出金属表面，在加速电场的作用下，向阳极A移动而形成电流。这种现象就叫作光电效应。实验表明，使用可见光照射时，不论光的强度多么大，照射时间多么久，电流计总是没有电流；但使用紫外光照射时，不论光的强度多么微弱，照射时间多么短暂，电流计总是有电流，说明金属板上有电子跑出来。这是因为可见光的频率低，光子能量小，小于锌的电子溢出功；而紫外光的频率高，光子能量大，大于锌的电子溢出功。

       爱因斯坦将这种现象解释为量子化效应：金属被光子击出电子，每一个光子都带有一部分能量E，这份能量对应光的频率ν，光束的颜色取决于光子的频率，而光强则取决于光子的数量。由于量子化效应，每个电子只能整份地接受光子的能量，因此，只有高频率的光子（蓝光，而非红光）才有能力将电子击出。

爱因斯坦（图2.1.7）因为他的光电效应理论获得了1921年诺贝尔物理学奖。