A-level 物理 (進階物理)/光作為量子現象
我們已經看到光如何既表現得像波又像粒子，但可以證明它既不是波也不是粒子。這個概念並不侷限於光，但我們將從光開始簡要地瞭解量子物理學，因為它最容易理解。
量子物理學是研究量子的學科。量子，引用維基詞典，是指“給定數量或可量化現象的最小可能單位，因此不可分割”。光的量子是光子。我們不是把它描述成一個粒子或波，而是把它描述成一個能量團，它在某些情況下表現得像粒子，在某些情況下表現得像波。我們說光子是光所能測量的最小部分，前提是裝置完美。從技術上講，光子是一種基本粒子。它也是所有電磁輻射的載體。然而，它的行為——量子行為——非常奇怪，所以我們稱它為量子。
最容易理解的證據是昏暗的照片。當你用很少的光拍照時，照片會顯得“顆粒狀”，比如右邊的影像。這意味著光是以團塊到達相機的。如果光是波，我們預計照片會顯得更暗，但均勻一致。實際上，我們得到了隨機分佈在影像上的光團，儘管隨機團塊的密度在反光材料（堅果）上更高。這種根據規則的隨機性概念對於量子物理學至關重要。
第二個證據更復雜，但更有用，因為可以從中推匯出一個規則。實驗表明，當電磁輻射（例如光）照射到金屬表面時，會導致電子發射。在真空中，用帶正電的端子照射適當型別的光，可以產生電流。
科學家們發現，光的量增加了電流的量，這是可以預料到的。他們還發現，頻率較低的光，其能量也較低，因此電流也較低。同樣，這並不特別令人驚訝。
然而，令人費解的是，當光低於特定最小頻率（取決於金屬）時，根本觀察不到電流。這讓科學家們感到困惑。無論他們如何用低頻光增加強度，都沒有電子被髮射出來。這很令人驚訝，因為即使有足夠的能量，光電效應也停止了。
這與光的波動模型不符。在波中，能量均勻分佈在波前。頻率較高的波傳遞更多的能量，但強度較高也意味著更多的波到達，這可以進行補償。傳遞的能量取決於兩者。儘管光表現出所有波的特性（衍射、折射、逐漸散開），但金屬需要具有最小頻率的光才能釋放電子，這一事實證明光不是波。波前的能量應該只是累積起來，然後釋放電子。
最小頻率閾值表明，“波”本身有一些東西可以讓電子被釋放出來。如果能量均勻分佈在波前，那麼它們就會被釋放。能量會均勻分配並積累，直到電子能夠被釋放出來。將光重新思考為粒子，即光子，可以更好地解釋這一點。光子必須與電子進行一對一、量化的、粒子的相互作用。低能量光子永遠不會釋放電子。
這類似於人們付款的方式。光的波動模型釋放電子就像人們共同出資購買東西。如果他們沒有足夠的錢，他們可以找到更多的人同意分擔成本，直到有足夠的錢為止。強度更高的光可以提供更多的波，為共享電子貢獻足夠的能量。然而，這並不是實際發生的情況。光子模型類似於一群人試圖用信用卡付款。無論有多少人信用不足，都無法付款，也無法購買商品。
要點
- 為了釋放電子，光必須高於閾值頻率。
- 低於閾值頻率的強度更高的光永遠不會釋放光子，儘管它們具有相同或甚至更多的能量。
- 當光高於最小頻率時，強度更高的光會釋放更多的電子。
光電效應使我們能夠推匯出一個方程式，將電磁輻射的頻率與每個量子（在這種情況下，光子）的能量聯絡起來。這可以透過實驗實現，方法是將金屬表面暴露在不同顏色的光，因此具有不同的頻率。我們已經知道不同顏色的光的頻率，並且我們可以計算出每個光子攜帶到表面的能量，因為這與為使電子移動提供足夠的電勢差所需的能量相同。電子的能量方程如下推導
首先，將能量的兩個公式等式
重新排列得到
我們還知道
因此，將前面的方程代入能量方程，我們得到
,
其中 P = 功率，E = 能量，t = 時間，I = 電流，V = 電勢差，Q = 電荷，e = 1 個電子的電荷 = -1.602 x 10−19 C，ΔV = 在給定輻射頻率下陽極和陰極之間產生的電勢差。這意味著，在給定電勢差的情況下，我們可以計算出釋放的能量，以及導致釋放這種能量的量子的能量。
將頻率（在 x 軸上）與能量（在 y 軸上）作圖，我們得到一條近似直線，斜率為 6.626 x 10−34。這個數字被稱為普朗克常數，以 Js 為單位，通常用 h 表示。所以
換句話說，每個量子攜帶的能量與量子的頻率成正比。比例常數是普朗克常數。
1. 頻率為 50 kHz 的光子攜帶多少能量？
2. 一個光子攜帶 10−30J 的能量。它的頻率是多少？
3. 一個 20W 的燈泡每秒釋放多少個頻率為 545 THz 的光子？
4. 一盞燈泡在一分鐘內發出100萬個頻率為600 THz的光子。該燈泡的功率是多少？
5. 一束電磁輻射中的光子每個攜帶2.5μJ的能量。表示這種輻射的相量應該旋轉多長時間？