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『』十大物理效应，一次看个够( 三 )


光电效应
『』十大物理效应，一次看个够
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当光照射在金属表面时 ， 它会将围绕着原子核旋转的电子“踢”出来 ， 这便是著名的光电效应 。但是要让这一切发生 ， 光的频率必须高于某个阈值——这个值的大小取决于材料 。如果频率低于阈值 ， 那么不论光的强度有多大 ， 都无法将电子踢出 。
1905年 ， 为了解释光电效应 ， 爱因斯坦（Albert Einstein）提出了光实际上是由量子——即光子构成的 ， 而光子的能量正比于频率 。爱因斯坦也因提出光电效应而在1922年被授予诺贝尔物理学奖 。
光电效应非常重要 ， 它不仅是光合作用的基础 ， 同时也是现代许多电子设备 ， 如光电二极管、光导纤维、电信网络、太阳能电池等等的理论基础 。
霍尔效应
『』十大物理效应，一次看个够
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1879年 ， 年仅24岁的霍尔（Edwin Hall）发现了一个神奇的现象 。他注意到 ， 如果将一个有电流流过的金属片放到磁场中 ， 让磁感线以垂直的角度穿过金属片的表面 ， 那么在既垂直于磁场又垂直于电流的方向上就会产生一个电势差 ， 这种现象便是霍尔效应 。它之所以发生 ， 是因为带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的影响 ， 使其运动方向发生偏转 。
霍尔的实验是在室温下以及中等强度的磁场（小于1T）下进行的 。到了20世纪70年代末 ， 研究人员开始使用半导体材料 ， 在低温（接近绝对零度）和强磁场（约30T）的条件下 ， 研究霍尔效应 。在低温半导体材料中 ， 电子具有很强的流动性 ， 但它们只能在一个二维平面中运动 。这种几何上的限制导致了许多意想不到的影响 ， 其中一个就是改变了霍尔效应的特征 ， 这种变化可以通过测量霍尔电阻随磁场强度的变化而观察到 。
1980年 ， 德国物理学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）在类似的实验条件下发现 ， 霍尔电阻随磁场强度的变化不是线性的 ， 而是呈阶梯式的 。阶梯出现的位置与材料属性无关 ， 而是与一些基本物理常数除以一个整数有关 。这便是整数量子霍尔效应 ， 是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一 。这一发现也为冯·克利青在1985年赢得了诺贝尔物理学奖 。
在对量子霍尔效应的后续研究中 ， 研究人员又惊喜地发现了霍尔电阻的一个新阶梯 ， 比冯·克利青发现的最高电阻高三倍 。随后 ， 研究人员发现了越来越多这样的新阶梯 ， 所有新台阶的高度都能用以前的常数表示 ， 但需要它们除以不同的分数 。正是因为这个原因 ， 新的发现被命名为分数量子霍尔效应 。
量子隧穿效应
『』十大物理效应，一次看个够
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在日常生活中 ， 如果我们把一颗大理石放入一个密封的盒子中 ， 大理石显然是不可能从盒子逃出来的 。但当我们把大理石变成一个量子粒子 ， 把盒子换成量子盒子时 ， 粒子是由一定概率可以逃出来的 ， 这个现象被称为量子隧穿效应 。
这里我们所说的困住的粒子的量子盒子 ， 实际上是指能量势垒 。量子隧穿之所以可能发生 ， 是因为电子具有波的特性 。量子力学为每一个粒子都赋予了波的特性 ， 而且波穿透障碍的概率总是有限的 。
虽然这听起来有悖于直觉 ， 但确实真实存在的效应 。你可能听说过 ， 太阳发出的光要经过8分钟才抵达地球 。然而 ， 如果没有量子隧穿效应 ， 太阳永远不会发出这些光子 。在恒星中的这种氢聚变中 ， 两个质子都带正电 ， 会相互排斥 。斥力会妨碍这两个粒子在太阳核心中因过于靠近而发生聚变 ， 然而量子隧穿却让这些粒子可以“穿过”屏障 ， 让聚变发生 。


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