爱因斯坦与物理学
年级：08电光系
班级：光电信息工程
姓名：朱彬
学号：080402169
【摘要】：爱因斯坦曾说：“我没有什么别的才能，只不过喜欢刨根问底地追究问题罢“时间、空间是什么，别人在很小的时候就搞清楚了，我智力发展迟缓，长大了还没有搞清楚，于是一直揣摩这个问题，结果也就比别人钻研得更深一些。

”正是本着这种执着钻研与不懈追求真理的精神，才有了爱因斯坦个人的成就，才有了今天物理学的辉煌。

【关键词】：爱因斯坦狭义相对论广义相对论光电效应诺贝尔奖
一、伟大传奇的一生
爱因斯坦于1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个殷实的家庭，很晚才学会说话，行动也很木讷不如同龄小孩子灵活，但是在母亲的教导下他会拉一段优美的小提琴。

爱因斯坦初中时，全家迁往意大利，留他一个人在慕尼黑学习，他的学习状况并不是很好，也并不喜欢德国的学校教育制度，所以他于1895－1896年到瑞士阿劳中学学习。

爱因斯坦一直对学校教育持批评态度，一生中除了在阿劳中学那一年的补习班外，对学校教育没有好印象。

1896-1900年爱因斯坦在苏黎士工业大学教育系师资班学习物理学，在这个学习阶段，他仍旧不是很喜欢学校教育的呆板方式，成绩并不是很好，但是他热衷于每天下午做实验检验自己的学习成果。

大学毕业后，爱因斯坦在就业中遇到了很多波折，同时他与第一任妻子米列娃的婚姻也走到了尽头，最后在他的同学格罗斯曼帮助下，他于1902年进入到伯尔尼发明专利局工作。

在伯尔尼发明专利局工作期间，是爱因斯坦学术研究的黄金时期，他发表了多篇论文，“狭义相对论”也是这个时期的成果。

爱因斯坦的后半生也一直为他所热爱的物理事业不断奋斗努力着，1909年应格罗斯曼的邀请，他进入苏黎士大学工作，主要是教授相对论。

1914年他到柏林大学教学，成为柏林大学教授，德国物理研究所所长、院士。

1915年，他提出广义相对论。

1933年，爱因斯坦在美国普林斯顿大学高级研究所做研究员直到1955年4月18日逝世。

二、狭义相对论和广义相对论
关于光波的载体问题，物理学家们选择了亚里士多德的以太作为光波的载体。

但是以太是静止的还是运动的？如果接受了以太是运动的，那么以太运动的速度是多少？许多物理学家试图解释以太相对于绝对空间静止这个问题，但都没有给出准确的解释。

1905年，爱因斯坦独自得出了洛仑兹变换，他认为，洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换，不存在绝对空间，一切运动都是相对的，V是相对速度。

爱因斯坦的创新之处就在于他坚持相对性原理，认识到光速是绝对的。

另一位物理学家彭卡莱于1904 年正确表述了“相对性原理”，并提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时间，不是真实时间，他推测真空中光速c是常数，且可能是极限速度。

但是都没有达到爱因斯坦的理论的程度，只有爱因斯坦认识到：（1）
必须彻底抛弃绝对空间（以太），必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性）；（2）“同时”是相对的，可以用光来对钟，定义“同时”；（3）新理论是一个时空理论。

于是，震惊世界的物理学发现——狭义相对论在这一基础上诞生了！
至于广义相对论，爱因斯坦主要基于把相对性原理贯彻到底的信念和哲学、认识论的原则，一鼓作气完成了它的。

当时，狭义相对论本身既无问题，又与实验没有什么矛盾，但他就是试图要着手建立引力的相对性理论。

1907年，爱因斯坦的兴趣转向推广狭义相对论。

同年，他发表了论文"关于相对论原理和由此得出的结论"。

在该文的第五部分，他就"相对性原理和引力"做了考察。

他一开始就提出一个问题："是否可以设想，相对性运动原理对于相互作加速运动的参照系也仍然成立？"他还在这里明确地提出了等效原理："引力场同参照系的相当的加速度在物理学上完全等价"。

他由此得出三个结论：在重力势为Φ的场中，时钟延缓1＋Φ/C²倍；来自太阳表面的光的波长比地球上同类物质发出的光的波长大约大两百万分之一(引力红移)；光线经过引力场时,每厘米光程方向的变化为r×sinφ/C²（φ为引力方向与光线方向的夹角，r为引力引起的加速度)。

爱国斯坦认为，所发现的等效原理是他"一生中最愉快的思想"。

如果说在狭义相对论诞生前还有先驱者的大量力工作的话，那么广义相对论可以说是爱因斯坦一人促成的，它的发现是爱因斯坦一生的顶峰。

爱因斯坦说过：“狭义相对论如果我不发现，五年之内就会有人发现。

广义相对论如果我不发现，50年之内也不会有人发现！”他对现代物理学的贡献何其伟大！
三、光电效应
光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。

前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。

后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应。

金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。

光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。

临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。

还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。

可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。

正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。

光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响.
光电效应说明了光具有粒子性。

相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的色散。

只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。

当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。

在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。

但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。

所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光
子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大。

四、爱因斯坦的光电效应方程
根据爱因斯坦的光量子理论，射向金属表面的光，实质上就是具有能量ε=hν
的光子流。

如果照射光的频率过低，即光子流中每个光子能量较小，当他照射到金属表面时，电子吸收了这一光子，它所增加的ε=hν的能量仍然小于电子脱离金属表面所需要的逸出功，电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。

如果照射光的频率高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。

此时逸出电子的动能、光子能量和逸出功之间的关系可以表示成：光子能量 = 移出一个电子所需的能量（逸出功）+ 被发射的电子的动能。

即：hf=(1/2)mv^2+Φ这就是爱因斯坦光电效应方程。

其中，h是普朗克常数；f是入射光子的频率；Φ是功函数，指从原子键结中移出一个电子所需的最小能量，表达式如右图，其中f0是光电效应发生的阀值频率，即极限频率；功函数有时又以W或A标记。

动能表达式
E(kmax)是逸出电子的最大动能，如右图；m是被发射电子的静止质量；vm是被发射电子逸出时的初速度。

注：这个算式与观察不符时（即没有射出电子或电子动能小于预期），可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。

五、爱因斯坦的学术成就与影响
曾经爱因斯坦被多次提名诺贝尔奖，有相对论、量子论、引力论、布朗运动、光量子、统计力学、临界乳光、比热、数学物理、光电效应、爱因斯坦－德哈斯效应等等，提名最多的领域是相对论。

因爱因斯坦的研究获得诺贝尔奖的包括：布朗运动、康普顿效应、受激辐射等，未来可能还会在量子信息学与量子纠缠理论、类星体体与引力透镜效应、黑洞物理极其观测、引力波的探测等等方面导致诺贝尔奖。

爱因斯坦的丰收年是在他26岁的时候，也就是1905年，这年共有5篇论文出世：3月份发表了解释光电效应的光子说；4月提交了博士论文——测定分子大小的新方法；5月创作了解释布朗运动的论文；6月创作了“论运动物体的电动力学”即狭义相对论；9月，爱因斯坦提交了包括著名的E=mC2公式的关于质能关系的论文。

伟人何为伟人，严谨，细致，求真，务实，探索，执着，永远积极向上，永远充满活力，永远富有创造性！爱因斯坦，不愧为世界物理学史上的璀璨之星！。