爱因斯坦的光子论及其意义

摘 要：爱因斯坦的光子论是站在粒子说的角度上提出的，他是粒子说的代表人物。本文介绍了爱因斯坦光子论的提出背景，并阐述了其主要内容和重要意义，以期为广大研究光子 理论的学者提供参考。

关键词：爱因斯坦；光子论；意义

一、爱因斯坦光子论的提出背景

在光学的发展史上，曾有过“微粒说”和“波动说”相争的局面，其中微粒说以牛顿和爱因斯坦为代表，波动说则以麦克斯韦和惠更斯.杨.菲涅耳为代表。微粒说认为光的本质是微粒，即现在所称的“光子”；波动说认为光是由一种叫“以太”的介质快速振动所产生的。

微粒说的出现早于波动说，最早由牛顿在十八世纪初期提出。他认为光是由发光体发出的微粒所构成的。牛顿通过实验，不仅发现光经过棱镜出现牛顿环、色散、衍射现象以及经过晶体变成双折射等现象，而且还发现具有直线传播的特点，并认为粒子从光源往外飞，通过均匀物质形成等直线运动。牛顿的微粒说可以完整地解释了光的反射定律，但是在解释光的折射定律时，却遇到了难题。微粒说只能解释一些特殊的折射现象，对于一般情况下的折射却无法解释。包括牛顿发现的牛顿环也无法得到合理的解释。与此同时，光的波动说对微粒说造成了冲击，由最初的以太波动理论发展到后来的电磁波动理论。然而不管是哪种光学理论，似乎都存在一些漏洞。

正当“微粒说”和“波动说”难分秋色之时，爱因斯坦在20世纪初基于普朗克的量子理论，发表了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，提出了光量子假说（也就是光子论），此理论完全没有考虑以太的存在，并合理有效地解释了光电效应的四大规律，具有划时代的意义。

二、爱因斯坦光子论的内容

20世纪初爱因斯坦在德国物理报刊上发表了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，此论文阐述了光量子假说。在论文的开头，爱因斯坦就认为电磁波理论虽然能解释某些光的现象，但是并不能解释全部现象，其理论仍存在诸多矛盾。爱因斯坦认为光不仅在发射和吸收中存在不连续的现象，而且在空间的传播过程中也不连续，这些不连续的能量子被他称作“光量子”。为了证明光量子假说，爱因斯坦采用统计学的方法进行了推导。常温条件下，当体积为V0的n个气体分子被限定在一定体积范围中，引起熵S的有限可逆变化如下：

在以上光量子假说的基础上，爱因斯坦进一步明确：光的产生和转换规律似乎也能按照以上方式建立，光也是由以上假设的能量子所组成的。也就是说，光量子假说关乎自由电磁辐射的量子特征；把光的特征推广到光和物质间相互作用构成了启发性原理。以上这些发现可以说意义重大。

爱因斯坦的光量子假说可以成功解释光电效应，具体解释如下：

基于启发性原理，爱因斯坦对光电效应进行了整理：一个光量子把其所有能量传给一个电子，这个光量子传递的能量独立于其他光量子，某物体内部跃迁的电子在到达物体表面之前，会损失能量，假设能量损失等于零时，跃迁的电子能量为Emax，可以得下面的关系式：

Emax=hv-P ③式

上式中，v代表辐射频率，P代表从表面跃迁的电子需要的能量，此式子可以有效解释光电效应中跃迁的能量和光强没有关系。

光电效应定律的发现，使得爱因斯坦获得了1922年的诺贝尔奖。光量子理论提出后几年，爱因斯坦再次发表论文，并在光量子假说的基础上提出光具有波动性和粒子性的特点，这是爱因斯坦首次对波粒二象性学说的探讨，这一学說也成为现今最权威的学说。

三、爱因斯坦光子论的革命意义

量子论在20世纪初的发展，可以说是一场伟大的革命，它一次次推翻了旧的物理学秩序，量子论建立在经典理论的基础上，依靠一些有趣的发明和法则，尽管体系不够完备，但是在和传统的理论斗争时，也具有相当大的优势，可见量子理论的出现具有建设性和划时代的意义，然而时代的发展，20世纪初的量子理论也被称为“旧”的理论。

爱因斯坦在光量子假说提出后，遭遇了强烈的阻力。这位科学家完全是从一个全新的角度思考问题，推翻了光的本质，并且大胆质疑具有强大支持力量的麦克斯韦的电磁理论。光量子理论虽然合理解释了光电效应的规律，但是却遭到了物理学界强大阻力，就连量子理论的奠基者普朗克也提出了反对意见。哪怕是十年后光电效应被证实的情况下，还是有许多人不接受光量子的存在，称其“毫无根据”。光的波粒二象性在当时也很难被人理解，尤其是不符合物理形象的审美观，物理方程中也没有解释二象性的方程式。

1926年物理化学家刘易斯在自己所著的《光子的守恒》中提出了“光子”一词，从此“光子”一词便代替了“量子”，由此爱因斯坦的光量子理论也被称作光子论。另外，1923年的康普顿效应实验对光的波粒二象性进行了清晰的证明，并且得到了光子被静止电子散射的相对运动学关系。此后，光量子理论便发展成了光的波粒二象性学说，并得到物理学界的普遍认可。

四、结语

爱因斯坦光子论的提出，冲破了传统物理学理论的桎梏，对普朗克的量子论进行了继承发展，对麦克斯韦的电磁理论进行了大胆质疑。在光学的发展史上，光子论是一颗璀璨的明珠，照亮了光学的发展方向，对光的波粒二象性学说的提出了奠定了基础，具有强大的建设性和划时代的意义。

参考文献：

[1] 高选树等.从牛顿粒子说到爱因斯坦光子论[J].川北教育学院院刊，2011.

[2] 王武生.用波动理论对光电效应的重新解释[J].发明与革新，2012.

[3] 杨继林等.“光电效应 光子”教学设计[J].中学物理教学参考，2013.

作者简介：

杨盛翔（1994-），男，辽宁瓦房店人，沈阳师范大学物理科学与技术学院物理学专业。