爱因斯坦对光通信的贡献-光的粒子性

爱因斯坦
爱因斯坦
      爱因斯坦,继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家,阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein),1879年3月14日出生于德国符腾堡王国乌尔姆市,犹太裔物理学家。1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,1905年,创立狭义相对论,获苏黎世大学哲学博士学位,1915年创立广义相对论。爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理学奖。
       爱因斯坦1955年4月18日去世,享年76岁。他为核能开发奠定了理论基础,开创了现代科学技术新纪元,被公认为是继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家。1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。
       利用光的波动性可以解释很多现象,就像麦克斯韦方程组那样,但是很多时候光的行为并不像一个波,而更像是由许多微粒组成的集合体,这种微粒称为光子——一个携带光能量的量子(Quantum)概念,这种量子概念假设由普朗克(Planck)于1900年在解决黑体辐射这个令人困扰已久的问题时首先提出,他指出,必须假定,能量在发射和吸收的时候,不是连续不断的,而是分成一份一份的。为此,1918年普朗克荣获诺贝尔物理学奖。
       1905年,爱因斯坦(1879—1955年)提出单色光的最小单位是光子,光子能量可用普朗克方程来描述
普朗克方程来描述
式中,h是普朗克常数,单位焦耳·秒(J·s);ν是光频,光束的颜色取决于光子的频率,而光强则取决于光子的数量。光子能量E与它的频率ν成正比,光子频率越高,光子能量越大。光子能量用电子伏特(eV)表示,1eV就是一个电子电荷经过1V电位差时,电场力所做的功。
       像所有运动的粒子一样,光子与其他物质碰撞时也会产生光压。光也是一种能量的载体,当光子流打到物质表面上时,它不但要把能量传递给对方,也要把动量传递给对方。由于量子化效应,每个电子只能整份地接受光子的能量,而且也遵守能量守恒定律和动量守恒定律。为了验证上述说法的正确性,可用图2.1.2b表示的实验装置进行实验。在一个抽成真空的玻璃容器内,装有阳极A和金属锌板的阴极K。两个电极分别与电流计G、伏特计V和电池组B连接。当光子照射到阴极K的金属表面上时,它的能量被金属中的电子全部吸收,如果光子的能量足够大,大到可以克服金属表面对电子的吸引力,电子就能跑出金属表面,在加速电场的作用下,向阳极A移动而形成电流。这种现象就叫作光电效应。实验表明,使用可见光照射时,不论光的强度多么大,照射时间多么久,电流计总是没有电流;但使用紫外光照射时,不论光的强度多么微弱,照射时间多么短暂,电流计总是有电流,说明金属板上有电子跑出来。这是因为可见光的频率低,光子能量小,小于锌的电子溢出功;而紫外光的频率高,光子能量大,大于锌的电子溢出功。
光量子化效应
       爱因斯坦将这种现象解释为量子化效应:金属被光子击出电子,每一个光子都带有一部分能量E,这份能量对应光的频率ν,光束的颜色取决于光子的频率,而光强则取决于光子的数量。由于量子化效应,每个电子只能整份地接受光子的能量,因此,只有高频率的光子(蓝光,而非红光)才有能力将电子击出。
爱因斯坦(图2.1.7)因为他的光电效应理论获得了1921年诺贝尔物理学奖。
       光在不同的介质中具有不同的传播速度,在真空中它以最大的速度直线传播,光子能量E可用质能方程描述,即
光子能量E可用质能方程描述
式中,m是光子质量,单位为kg;c是光速,单位为km/s。频率ν、波长λ和光速c的关系为
频率ν、波长λ和光速c的关系
用它可进行电磁波频率与波长的换算。图2.1.1表示电磁波频率与波长的换算,图中也标出光通信所用到的波段。用式(2.1.5)可进行电磁波频率与波长的换算。
       从式(2.1.3)和式(2.1.4)可以得到ν=mc2/h和m=hν/c2。
       1913年,尼尔斯·波尔(1885—1962年)发布了原子结构与化学模型,即原子具有吸引电子的原子核,离核心最远的轨道由更多的电子组成,其决定了原子的化学属性。这些电子通过发射或吸收量子(电子或光子)能量,可以从一层移动到另一层,比如激励一个高能级的电子到低能级,而发射出一个光子;或者低能级电子吸收一个光子能量激励到高能级,如图2.1.8所示。
光的发射和吸收
光子的发射和吸收
       光的光子性可以用来度量光接收机的灵敏度,比如“0”码不携带能量时,用每比特接收的平均光子数平均光子数表示接收机灵敏度,它的使用相当普遍,特别是在相干检测通信系统中,光探测器的量子极限是光探测器的量子极限=10。但大多数接收机实际工作的接收实际工作量 远大于量子极限值,通常≥1000。

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