A-level 物理/电子、波和光子/量子物理学

量子物理学试图解释物质和能量在原子和亚原子水平上的性质。我们使用量子物理学来模拟微观物体的行为和性质，这些物体无法用爱因斯坦物理学来模拟，爱因斯坦物理学是用于宏观物体（用肉眼观察到的物体）的物理学。

光表现为波还是粒子？

干涉实验，例如杨氏双缝实验（见下文），只有在假设光是波的情况下才能解释。然而，光电效应只能在假设光是粒子的情况下才能解释。那么光是什么 - 粒子还是波？

最重要的是要记住，波和粒子都不过是用来解释我们观察结果的物理模型。例如，有人在学习基本算术时可能会想到数苹果；但这并不意味着数字就是苹果，只是我们在某些特定情况下可以把它们看作苹果。当我们接触到负数的概念时，用苹果作为模型就会出人意料地失效。同样，在量子物理学中，我们发现必须根据不同的情况使用不同的模型。

杨氏双缝实验

托马斯·杨进行了一项著名的实验，其中光被双缝衍射，并在屏幕上产生干涉图样。干涉图样是由来自两个缝隙的光线发生干涉形成的明暗条纹图案，它是波的唯一特征。电子通常被认为是粒子，但通过衍射产生明显的干涉图样。要产生干涉图样，你必须有一个波长。这为波粒二象性提供了更多证据。

光电效应

在使用爱因斯坦方法对光电效应进行定量分析时，使用以下等效方程

光子能量 = 移除电子的能量 + 发射电子的动能

代数式

$hf=\phi +E_{k_{max}}\,$

其中

• h 是普朗克常数，
• f 是入射光子的频率，
• $\phi =hf_{0}\$ 是功函数，或从原子键合中移除电子的最小能量，
  • f₀ 是发生光电效应的阈值频率，
• $E_{k_{max}}={\frac {1}{2}}mv_{m}^{2}$ 是发射电子的最大动能，
  • m 是发射电子的静止质量，以及
  • $v_{m}$ 是发射电子的速度。

注意：如果光子的能量 (hf) 小于功函数 ($\phi$)，则不会发射电子。功函数有时用 $W$ 表示。光是由光子组成的，光子等于 hf。金属表面附近的电子会吸收一个光子，因此它的能量会传递给电子。如果光子的能量等于或大于金属表面的功函数，电子将能够逃逸出表面。

普朗克常数

物理学家马克斯·普朗克研究了一种称为黑体辐射的现象，并发现光的传输最好被视为称为光子的能量包。光子的能量，$E$，由以下公式给出

$E=h\,f$

其中 $E$ 是光子的能量，$h$ 是普朗克常数，$6.63\times 10^{-34}$，$f$ 是光的频率。由于光速（真空中的速度为 c）由 $f\lambda$ 给出，因此使用方程式可能会很有帮助

$E={\frac {hc}{\lambda }}$

如果你知道光的波长，而不知道频率。

光子模型

几个世纪以来，科学家一直在争论光到底是什么。牛顿认为光是由称为微粒的粒子组成的，并推测衍射是由于粒子进入密度更大的介质时加速，受到重力的吸引。然而，他已经证明是错误的，现在我们可以测量光速，并证明它在密度更大的介质中会减速。爱因斯坦认为光是由他称为量子（quanta）的离散能量包组成。

波粒二象性

1924 年，路易-维克多·德布罗意提出了德布罗意假说，声称 *所有* 物质都具有波动性；他将波长 λ（lambda）和动量 p 联系起来

$\lambda ={\frac {h}{p}}$

这是对爱因斯坦上述方程式的推广，因为光子的动量由 p = E / c 给出，其中 c 是真空中的光速，λ = c / ν。

德布罗意的公式在三年后通过两个独立实验观察到电子（具有静止质量）的衍射而得到证实。在阿伯丁大学，乔治·佩吉特·汤姆森将一束电子通过薄金属膜，并观察到预测的干涉图样。在贝尔实验室，克林顿·约瑟夫·戴维森和莱斯特·哈伯特·格尔默将他们的电子束引导通过晶体网格。