A-level 物理 (进阶物理)/光作为量子现象
我们已经看到光如何既表现得像波又像粒子，但可以证明它既不是波也不是粒子。这个概念并不局限于光，但我们将从光开始简要地了解量子物理学，因为它最容易理解。
量子物理学是研究量子的学科。量子，引用维基词典，是指“给定数量或可量化现象的最小可能单位，因此不可分割”。光的量子是光子。我们不是把它描述成一个粒子或波，而是把它描述成一个能量团，它在某些情况下表现得像粒子，在某些情况下表现得像波。我们说光子是光所能测量的最小部分，前提是设备完美。从技术上讲，光子是一种基本粒子。它也是所有电磁辐射的载体。然而，它的行为——量子行为——非常奇怪，所以我们称它为量子。
最容易理解的证据是昏暗的照片。当你用很少的光拍照时，照片会显得“颗粒状”，比如右边的图像。这意味着光是以团块到达相机的。如果光是波，我们预计照片会显得更暗，但均匀一致。实际上，我们得到了随机分布在图像上的光团，尽管随机团块的密度在反光材料（坚果）上更高。这种根据规则的随机性概念对于量子物理学至关重要。
第二个证据更复杂，但更有用，因为可以从中推导出一个规则。实验表明，当电磁辐射（例如光）照射到金属表面时，会导致电子发射。在真空中，用带正电的端子照射适当类型的光，可以产生电流。
科学家们发现，光的量增加了电流的量，这是可以预料到的。他们还发现，频率较低的光，其能量也较低，因此电流也较低。同样，这并不特别令人惊讶。
然而，令人费解的是，当光低于特定最小频率（取决于金属）时，根本观察不到电流。这让科学家们感到困惑。无论他们如何用低频光增加强度，都没有电子被发射出来。这很令人惊讶，因为即使有足够的能量，光电效应也停止了。
这与光的波动模型不符。在波中，能量均匀分布在波前。频率较高的波传递更多的能量，但强度较高也意味着更多的波到达，这可以进行补偿。传递的能量取决于两者。尽管光表现出所有波的特性（衍射、折射、逐渐散开），但金属需要具有最小频率的光才能释放电子，这一事实证明光不是波。波前的能量应该只是累积起来，然后释放电子。
最小频率阈值表明，“波”本身有一些东西可以让电子被释放出来。如果能量均匀分布在波前，那么它们就会被释放。能量会均匀分配并积累，直到电子能够被释放出来。将光重新思考为粒子，即光子，可以更好地解释这一点。光子必须与电子进行一对一、量化的、粒子的相互作用。低能量光子永远不会释放电子。
这类似于人们付款的方式。光的波动模型释放电子就像人们共同出资购买东西。如果他们没有足够的钱，他们可以找到更多的人同意分担成本，直到有足够的钱为止。强度更高的光可以提供更多的波，为共享电子贡献足够的能量。然而，这并不是实际发生的情况。光子模型类似于一群人试图用信用卡付款。无论有多少人信用不足，都无法付款，也无法购买商品。
要点
- 为了释放电子，光必须高于阈值频率。
- 低于阈值频率的强度更高的光永远不会释放光子，尽管它们具有相同或甚至更多的能量。
- 当光高于最小频率时，强度更高的光会释放更多的电子。
光电效应使我们能够推导出一个方程式，将电磁辐射的频率与每个量子（在这种情况下，光子）的能量联系起来。这可以通过实验实现，方法是将金属表面暴露在不同颜色的光，因此具有不同的频率。我们已经知道不同颜色的光的频率，并且我们可以计算出每个光子携带到表面的能量，因为这与为使电子移动提供足够的电势差所需的能量相同。电子的能量方程如下推导
首先，将能量的两个公式等式
重新排列得到
我们还知道
因此，将前面的方程代入能量方程，我们得到
,
其中 P = 功率，E = 能量，t = 时间，I = 电流，V = 电势差，Q = 电荷，e = 1 个电子的电荷 = -1.602 x 10−19 C，ΔV = 在给定辐射频率下阳极和阴极之间产生的电势差。这意味着，在给定电势差的情况下，我们可以计算出释放的能量，以及导致释放这种能量的量子的能量。
将频率（在 x 轴上）与能量（在 y 轴上）作图，我们得到一条近似直线，斜率为 6.626 x 10−34。这个数字被称为普朗克常数，以 Js 为单位，通常用 h 表示。所以
换句话说，每个量子携带的能量与量子的频率成正比。比例常数是普朗克常数。
1. 频率为 50 kHz 的光子携带多少能量？
2. 一个光子携带 10−30J 的能量。它的频率是多少？
3. 一个 20W 的灯泡每秒释放多少个频率为 545 THz 的光子？
4. 一盏灯泡在一分钟内发出100万个频率为600 THz的光子。该灯泡的功率是多少？
5. 一束电磁辐射中的光子每个携带2.5μJ的能量。表示这种辐射的相量应该旋转多长时间？