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光电效应是现代物理学的重要发现。当光照射到金属表面时，如果光子频率足够高，就能将电子从金属中击出。爱因斯坦提出光电效应方程，解释了光的粒子性质。关键在于阈值频率的概念：只有当光子频率大于阈值频率时，才能产生光电效应。这就是为什么红光无论多强都无法产生光电效应，而紫外线即使很弱也能产生的原因。
原子内部的电子只能存在于特定的能级上，这就是能级的量子化。以氢原子为例，电子可以在不同轨道间跃迁。当电子吸收光子时，会从低能级跃迁到高能级；当电子从高能级跃迁到低能级时，会发射特定频率的光子。每次跃迁释放的光子能量等于两个能级的能量差。正是这种机制产生了元素特有的光谱线，使我们能够通过光谱分析识别不同的元素。
核反应涉及原子核的变化。原子核由质子和中子组成，质量数等于质子数加中子数，原子序数等于质子数。核反应必须遵循三个守恒定律：质量数守恒、电荷数守恒和能量守恒。以镭226的α衰变为例，镭核分裂成氡222和α粒子。根据爱因斯坦的质能方程E等于mc平方，质量的微小损失会转化为巨大的能量释放，这就是核反应能量巨大的根本原因。
核裂变是重核分裂成较轻核的过程。当中子撞击铀235时，原子核会分裂成两个中等质量的核，同时释放2到3个新中子和巨大能量。这些新产生的中子可以继续撞击其他铀核，形成链式反应。要维持链式反应需要达到临界质量。每次裂变释放约200兆电子伏特的能量，这是化学反应的百万倍。核电站正是利用这一原理，通过控制链式反应来发电。
核聚变是轻核结合成重核的过程，这正是太阳发光发热的原理。四个氢核聚变成一个氦核，同时释放正电子、中微子和巨大能量。聚变需要极高的温度和压力来克服原子核间的库仑斥力。与核裂变相比，聚变具有更高的能量密度，更加清洁安全，但技术难度也更大。目前科学家正在努力实现可控核聚变，这将为人类提供清洁、安全、几乎无限的能源。