光量子假说,是由阿尔伯特·爱因斯坦提出的大胆假设。内容是:光和原子电子一样也具有
粒子性,把光具有这种
粒子属性叫作光量子。同
普朗克的能量子一样,每个光量子的
能量也是E=hν,根据
相对论的
质能关系式,每个
光子的动量为p=E/c=h/λ。
普朗克的
量子假说提出后的几年内,并未引起人们的兴趣,
爱因斯坦却看到了它的重要性。他赞成能量子假说,并从中得到了重要启示:在现有的物理理论中,物体是由一个一个
原子组成的,是不连续的,而光(
电磁波)却是连续的。
在原子的
不连续性和光波的连续性之间有深刻的矛盾。为了解释
光电效应, 1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出了
光量子假说。
光量子假说成功地解释了光电效应。当紫外线这一类的波长较短的光线照射金属表面时,金属中便有电子逸出,这种现象被称为光电效应。它是由
赫兹(H.R.Hertz l857—1894)和
勒纳德(P.Lenard l862—1947)发现的。光电效应的实验表明:微弱的紫光能从金属表面打出电子,而很强的红光却不能打出电子,就是说光电效应的产生只取决于光的频率而与光的强度无关。这个现象用光的
波动说是解释不了的。因为
光的波动说认为光是一种波,它的能量是连续的,和
光波的
振幅即强度有关,而和光的频率即颜色无关,如果微弱的紫光能从金属表面打出电子来,则很强的红光应更能打出电子来,而事实却与此相反。利用
光量子假说可以圆满地解释
光电效应。按照光量子假说,光是由光量子组成的,光的能量是不连续的,每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的
逸出功,从金属表面打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少,但是每个光量子的能量却足够大,所以能从金属表面打出
电子来;很强的红光,光量子的数目虽然很多,但每个光量子的能量不够大,不足以克服电子的逸出动,所以不能打出电子来。
从当时的观点看来
光量子假说同光的干涉事实矛盾,许多物理学家不赞成光量子假说,就连
普朗克也抱怨说“太过分了”。 1907年他在写给
爱因斯坦的信中说:“我为作用基光量子(光量子)所寻找的不是它在
真空中的意义,而是它在吸收和发射地方的意义,并且我认为,真空中的过程已由
麦克斯韦方程作了精确的描述”。直到1913年他还拒绝光量子假说。
(R.A.Millikan l868—1953)在电子和
光电效应的研究方面做出了杰出的贡献。他曾花费十年时间去做光电效应实验。最初他不相信光量子理论,企图以实验来否定它,但实验的结果却同他最初的愿望相反。1915年他宣告,他的实验证实了爱因斯坦光电效应公式。他根据光量子理论给出了h值的测定,与
普朗克辐射公式给出的h值符合得很好。1922—1923年间,康普敦(A.H.Compton l892—1962)研究了
X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱。根据古典电磁波理论,入射波长应与散射波长相等,而康普敦的实验却发现,除有波长不变的散射外,还有大于入射波长的散射存在,这种改变波长的散射称为康普敦效应。
光的波动说无论如何也不能解释这种效应,而
光量子假说却能成功地解释它。按照光量子理论,入射X射线是光子束,光子同散射体中的
自由电子碰撞时,将把自己的一部分能量给了电子,由于散射后的
光子能量减少了,从而使光子的频率减小,波长变大。因此,康普顿效应的发现,有力地证实了光量子假说。
发展了
普朗克所开创的量子理论。在普朗克的理论中,还是坚持电磁波在本质上是连续的,只是假定当它们与器壁振子发生能量交换时电磁能量才显示出
量子性。
爱因斯坦对旧理论不是采取改良的态度,而是要求弄清事物的本质彻底解决问题,他看出
量子不是一个成功的
数学公式,而是揭露光的本质的手段。他克服了普朗克量子假说的不彻底性,把量子性从辐射的机制引申到光的本身上,认为光本身也是不连续的,光不仅在吸收和发射时是
量子化的,而且
光的传播本身也是量子化的。爱因斯坦的
光量子假说恢复了
光的粒子性,使人们终于认清了光的波粒
双重性格,而且在它的启发下,发现了德布罗意
物质波,使人们认清了微观世界的
波粒二象性,为后来量子力学的建立奠定了基础。