【原】20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家，聰明的猶太人愛因斯坦，光電效應(yīng)之父

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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愛因斯坦提出的相對論理論以及黑洞的見地是眾所周知的，盡管如此，愛因斯坦在物理領(lǐng)域被授予的諾貝爾獎是著眼于獎勵他對光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。這項革新性的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了我們對于周圍所處世界的認(rèn)知。那么，光電效應(yīng)是怎么回事？

當(dāng)你想到阿爾伯特愛因斯坦的時候，腦海中浮現(xiàn)出什么？廣義相對論，黑洞，還是他蓬松夸張的發(fā)型？毋庸多言，他一生的時間在這些領(lǐng)域都做出了杰出貢獻(xiàn)，但是也許在阿爾伯特愛因斯坦所處的時代，他被大家接納認(rèn)可的工作是他對光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。事實上，當(dāng)他被授予

1921年的諾貝爾學(xué)物理獎的榮譽(yù)之時，頒獎詞中這樣寫道，“為了紀(jì)念他對理論物理做出的貢獻(xiàn)，尤其是他對于光電效應(yīng)法則的發(fā)現(xiàn)?！?/span>

這項足以問鼎諾貝爾獎的發(fā)現(xiàn)，其重要性在于，愛因斯坦首次將光闡釋成為波與粒子的結(jié)合體。這個現(xiàn)象，被稱為波粒二象性，構(gòu)成了量子力學(xué)理論的基石并且促進(jìn)了電子顯微鏡和太陽能電池的研究與發(fā)現(xiàn)。

光電效應(yīng)是怎么回事兒？

當(dāng)負(fù)載著臨界值以上能量的光子轟擊金屬表面時，原先被金屬原子核束縛的電子被轟擊松動。每個光粒子，也稱為光子，與某一個電子碰撞而且電子利用光子攜帶的能量離開金屬原子實的束縛，光子剩余能量轉(zhuǎn)移到這個不被束縛的帶有負(fù)電的電子上，形成一個光電子。

這個現(xiàn)象為什么會發(fā)生？是什么決定了發(fā)射的電子流的能量（也就是速度）？為了了解這些問題的答案，我們有必要深入探尋一下光電效應(yīng)研究與發(fā)現(xiàn)的歷史。

一個神秘的結(jié)果

在19世紀(jì)晚期，實驗物理學(xué)家們面臨這一個巨大的任務(wù)。在1865年，數(shù)學(xué)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的發(fā)表了他的電磁學(xué)理論，提出電場與磁場以波的形式以光速在空間中傳播。實驗物理學(xué)家們開始著手探索可觀察的證據(jù)，至少在數(shù)學(xué)理論層面，去驗證麥克斯韋理論中提及的光的性質(zhì)。

1887年迎來了成功。海因里希·赫茲首先在實驗中產(chǎn)生并且觀測到了麥克斯韋爾預(yù)言的電磁輻射。赫茲在實驗中，在兩塊黃銅電極之間用導(dǎo)電線圈產(chǎn)生很高的電極差，擊穿空氣放電產(chǎn)生火花，在50英尺（約15.24米）之外的由黃銅球與銅導(dǎo)線構(gòu)成的接收器處也產(chǎn)生了火花。

接收器產(chǎn)生的二次火花非常微弱，因此，赫茲決定嘗試在黑箱中放置接收器來更好的觀測。出乎意料的是，他發(fā)現(xiàn)在封閉空間中接收器產(chǎn)生的火花反而變?nèi)趿?，并且僅限于特定材料制造的黑箱中會有這種現(xiàn)象。經(jīng)過數(shù)月的實驗，赫茲實驗中得出結(jié)論為，用超紫外線（頻率非常高，超出可見光光波波段）能夠放大接收器處產(chǎn)生的火花。

然而，在赫茲的探索結(jié)束的時候，他始終未能解釋為什么會有這樣的現(xiàn)象產(chǎn)生，他寫道“局限于目前的認(rèn)知，我僅僅能用我得到的實驗結(jié)果與大家交流，但是并沒有成功嘗試用任何理論來解釋我的實驗中所觀察到的現(xiàn)象”。

此后，幾個發(fā)現(xiàn)打開了物理學(xué)家們探索答案的道路。首先是約瑟夫·湯姆孫對于陰極射線中帶負(fù)電的微粒為電子的鑒定，其后是菲利普·萊納德發(fā)現(xiàn)，他發(fā)現(xiàn)提高入射光的光子數(shù)目對于溢出陰極電子流的強(qiáng)度沒有影響。用雙倍的光子數(shù)光線照射會得到雙倍的溢出電子，但是對于光子數(shù)目對于溢出電子所攜帶能量沒有影響。

萊納德的發(fā)現(xiàn)與我們對光是一種波的認(rèn)知有矛盾。作為一種波，更加明亮的光波被期待能夠更強(qiáng)烈地振動電子，因此能夠得到更多而且更快速的溢出電子。然而，萊納德的發(fā)現(xiàn)中，存在著入射光的最低閾值，低于這個數(shù)值的入射光不會激發(fā)溢出光電子流。

最低閾值的存在與光作為一種波的理論也有矛盾之處。隨著我們對于光電效應(yīng)現(xiàn)象細(xì)節(jié)的理解加深，對于這種觀測現(xiàn)象與理論之間矛盾的闡釋理論仍然乏善可陳。

光的波粒二象性

在1905年，愛因斯坦之處，所有的現(xiàn)象都可以通過光的波粒二象性來解釋，亦即把光看成為一束粒子流（或光子流）而非光波。這些光子所攜帶的能量可以被記為一個常數(shù)與頻率的乘積。換句話說，每個光子的能量與其頻率成比例。

在金屬板照射實驗中，每個光子被想象成一個粒子，可以轟擊一個電子并且使電子從金屬的束縛中逃逸。有一些能量在這個過程中損失，因此溢出的電子攜帶凈能量永遠(yuǎn)小于入射光子攜帶的能量。因此，產(chǎn)生的光電子流的能量會與入射光的頻率有關(guān)，但是與入射光的密度無關(guān)。但是，入射光的密度（轟擊金屬板的光子個數(shù)）僅僅影響產(chǎn)生的光電子流的個數(shù)。

愛因斯坦的理論同時也揭示了萊納德的最低能量閾值現(xiàn)象：如果入射光的能量?。ㄈ肷涔獾念l率較低），小于產(chǎn)生逃逸光電子的最低數(shù)值，那么電子將會不溢出。

美國實驗物理學(xué)界羅伯特·密立根沒有做好接受愛因斯坦理論的準(zhǔn)備，他著手去尋找反對愛因斯坦理論的實驗數(shù)據(jù)。他花費了十年時間去證否，但是卻在實驗過程中反復(fù)驗證了光電效應(yīng)理論的正確性。密立根是幸運的，他也憑借實驗物理的數(shù)據(jù)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

若沒有光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)我們現(xiàn)在的世界會是什么樣子？

光電效應(yīng)理論在光伏電池以及太陽能電池兩個領(lǐng)域有著直接的應(yīng)用，這兩種電能是直接由入射光子產(chǎn)生的。更為重要的是，光電效應(yīng)帶動了量子力學(xué)的演進(jìn)，實驗物理學(xué)家開始思考光的本質(zhì)以及原子的結(jié)構(gòu)，對我們周圍的世界有了一種全新的解釋。

愛因斯坦的光電效應(yīng)的理論對于大家的最大啟示也許是提醒我們要跳出原有框架思考。如果原有理論不奏效，有時候我們需要創(chuàng)建新的理論。愛因斯坦自己說，“我們不能夠用同樣的思考方法去提出和解決同一個問題。”