A-level 物理/電子、波和光子/量子物理學

量子物理學試圖解釋物質和能量在原子和亞原子水平上的性質。我們使用量子物理學來模擬微觀物體的行為和性質，這些物體無法用愛因斯坦物理學來模擬，愛因斯坦物理學是用於宏觀物體（用肉眼觀察到的物體）的物理學。

光表現為波還是粒子？

干涉實驗，例如楊氏雙縫實驗（見下文），只有在假設光是波的情況下才能解釋。然而，光電效應只能在假設光是粒子的情況下才能解釋。那麼光是什麼 - 粒子還是波？

最重要的是要記住，波和粒子都不過是用來解釋我們觀察結果的物理模型。例如，有人在學習基本算術時可能會想到數蘋果；但這並不意味著數字就是蘋果，只是我們在某些特定情況下可以把它們看作蘋果。當我們接觸到負數的概念時，用蘋果作為模型就會出人意料地失效。同樣，在量子物理學中，我們發現必須根據不同的情況使用不同的模型。

楊氏雙縫實驗

托馬斯·楊進行了一項著名的實驗，其中光被雙縫衍射，並在螢幕上產生干涉圖樣。干涉圖樣是由來自兩個縫隙的光線發生干涉形成的明暗條紋圖案，它是波的唯一特徵。電子通常被認為是粒子，但透過衍射產生明顯的干涉圖樣。要產生干涉圖樣，你必須有一個波長。這為波粒二象性提供了更多證據。

光電效應

在使用愛因斯坦方法對光電效應進行定量分析時，使用以下等效方程

光子能量 = 移除電子的能量 + 發射電子的動能

代數式

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

其中

• h 是普朗克常數，
• f 是入射光子的頻率，
• $\phi =hf_{0}\$ 是功函式，或從原子鍵閤中移除電子的最小能量，
  • f₀ 是發生光電效應的閾值頻率，
• $E_{k_{max}}={\frac {1}{2}}mv_{m}^{2}$ 是發射電子的最大動能，
  • m 是發射電子的靜止質量，以及
  • $v_{m}$ 是發射電子的速度。

注意：如果光子的能量 (hf) 小於功函式 ($\phi$)，則不會發射電子。功函式有時用 $W$ 表示。光是由光子組成的，光子等於 hf。金屬表面附近的電子會吸收一個光子，因此它的能量會傳遞給電子。如果光子的能量等於或大於金屬表面的功函式，電子將能夠逃逸出表面。

普朗克常數

物理學家馬克斯·普朗克研究了一種稱為黑體輻射的現象，並發現光的傳輸最好被視為稱為光子的能量包。光子的能量，$E$，由以下公式給出

$E=h\,f$

其中 $E$ 是光子的能量，$h$ 是普朗克常數，$6.63\times 10^{-34}$，$f$ 是光的頻率。由於光速（真空中的速度為 c）由 $f\lambda$ 給出，因此使用方程式可能會很有幫助

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

如果你知道光的波長，而不知道頻率。

光子模型

幾個世紀以來，科學家一直在爭論光到底是什麼。牛頓認為光是由稱為微粒的粒子組成的，並推測衍射是由於粒子進入密度更大的介質時加速，受到重力的吸引。然而，他已經證明是錯誤的，現在我們可以測量光速，並證明它在密度更大的介質中會減速。愛因斯坦認為光是由他稱為量子（quanta）的離散能量包組成。

波粒二象性

1924 年，路易-維克多·德布羅意提出了德布羅意假說，聲稱 *所有* 物質都具有波動性；他將波長 λ（lambda）和動量 p 聯絡起來

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

這是對愛因斯坦上述方程式的推廣，因為光子的動量由 p = E / c 給出，其中 c 是真空中的光速，λ = c / ν。

德布羅意的公式在三年後透過兩個獨立實驗觀察到電子（具有靜止質量）的衍射而得到證實。在阿伯丁大學，喬治·佩吉特·湯姆森將一束電子透過薄金屬膜，並觀察到預測的干涉圖樣。在貝爾實驗室，克林頓·約瑟夫·戴維森和萊斯特·哈伯特·格爾默將他們的電子束引導透過晶體網格。