量子力學從誕生至今也不過區(qū)區(qū)一百多年，但是卻像一頭洪荒猛獸，一舉打破了整個經(jīng)典物理的認知，成為人類歷史上最偉大的物理理論，人類的科學也因量子力學的發(fā)展大幅度進步。如果我們回顧歷史，量子力學這個幽靈正是從光電效應現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)而隨之被釋放出來的，可以說光電效應的發(fā)現(xiàn)一腳踹開了量子力學的大門，而之后愛因斯坦利用量子論對光電效應進行了成功解釋，則打開了人們對于量子論的嶄新認識，光電效應的發(fā)現(xiàn)到被解釋，也體現(xiàn)著量子論的發(fā)展，并對量子論的發(fā)展意義重大。

愛因斯坦

光電效應究竟是什么？

通俗來講，光電效應是指光束照在金屬表面時，會使其發(fā)射出電子。這個現(xiàn)象非常奇特，本來電子被金屬表面的原子束縛的老老實實，奇怪的是，一旦被一定光線照射時，這些電子就開始不安分起來，想要脫離原子的束縛，四處逃竄。由于這種現(xiàn)象的主角是光與電子這“兩位大佬”，因此大家就把它稱之為光電效應。

光電效應（紅色線條為光線，黑色圓形為電子，長方形為金屬）

更有趣的是，這個光電效應還比較頑皮，它并不是說只要有光照射在金屬表面上，就一定能夠打出電子來，要想實現(xiàn)它，還要對照射光提要求。

人們發(fā)現(xiàn)，對于同條件下的同種金屬，光能不能從金屬表面打出電子來，取決于光的頻率（可見光中，從紫到藍到綠到黃到紅，頻率逐漸降低，紫光頻率最高，紅光頻率最低）。更神奇的是，頻率較高的光能夠打出能量較高的電子來，但是頻率較低的光則完全打不出電子來。

于是有人想，那如果用很強的低頻率光（紅）去打，或者用很弱的高頻率光（紫）去打呢？結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子這位爺只認頻率不認強度。哪怕是再強的低頻率光也打不出半個電子來，再弱的高頻率光也能打出電子來，不過在高頻率光的情況下，改變光的強度可以改變打出電子的數(shù)量。

小結(jié):當一定光照射在金屬表面，金屬表面能夠發(fā)射電子，此即光電效應。光是否能夠在同種金屬表面打出電子來，取決于光的頻率而非強度。

赫茲意外撞上光電效應

海因里希-赫茲是德國的一名天才物理學家，他的老師是大名鼎鼎的基爾霍夫和亥姆霍茲。赫茲對于電磁學領域貢獻極大，因此頻率的單位赫茲（hz）就是以他的名字命名的。赫茲與光電效應的意外相遇，著得從麥克斯韋方程組與電磁波說起。

赫茲

偉大的麥克斯韋在19世紀將電場高斯定律、磁場高斯定律，法拉第電磁感應定律，麥克斯韋-安培定律（全電流定律）四個方程總結(jié)成麥克斯韋在組，闡述了變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場，并且從理論上預言了電磁波的存在，前無古人般的將電與磁統(tǒng)一起來。

麥克斯韋方程組

然而，麥克斯韋只是從理論上完美的證明了電磁波的存在，并沒有真的證實電磁波存在。接下來就輪到本文的主角之一赫茲先生登場了。證實電磁波的存在并不是別人，正是赫茲。赫茲在他的實驗室證實了電磁波的存在，為電磁學大廈完成了封頂，但是正是在證明電磁波存在的實驗當中，赫茲一不小心打開了量子力學的大門，發(fā)現(xiàn)了光電效應的存在。

在赫茲證明電磁波存在的實驗當中，赫茲發(fā)現(xiàn)當有光照在金屬接收器上時，電火花出現(xiàn)的容易一些，這個現(xiàn)象則是最初版本的光電效應。不過這個現(xiàn)象并沒有引起赫茲足夠的重視，他在論文里有提到，但是他并沒有去仔細研究。非常不幸，赫茲也沒有足夠的機會對其進行研究。天妒英才，赫茲年僅36歲時便去世了。而赫茲并不知道，他這個發(fā)現(xiàn)，實際上踹開了量子力學的大門。人們時常暢想，如果上天能讓赫茲活得更久一點，說不定量子力學的發(fā)展進程能夠提前一些。

愛因斯坦對于光電效應的天才解釋

年輕的愛因斯坦

談及愛因斯坦，人們聽的最多的可能是狹義相對論與廣義相對論，但是對于光電效應的解釋其實也是愛因斯坦的經(jīng)典之作，更是讓愛因斯坦因此獲得了諾貝爾物理學獎。

前面提到過，在光電效應中，電子這位大爺只認光的頻率，不認光的強度。在當時的認知中，光是一種波，波的強度即代表了能量。按理說，由于電子是被原子束縛在軌道上，強度越高，能量越高，就應該越容易將電子打出來。但是實際上如果光的頻率低，哪怕再強的強度，也無法打出電子來，也就說，光的頻率決定了能否打出電子來，而光的強度決定的是打出電子的數(shù)目。這讓當時的科學家們非常困擾，百思不得其解，直到天才愛因斯坦橫空出世。

愛因斯坦解決這個問題的思路與其他人有些不一樣，他借用了普朗克先生的量子假說（普朗克假設，黑體在吸收或者發(fā)射能量的時候，并非連續(xù)的，而是分成一份一份的能量，這一份能量的大小等于普朗克常數(shù)乘以頻率，并將這一份能量稱之為量子）。

光電效應，頻率越高，越容易打出電子；單個量子的能量等于普朗克常數(shù)h乘以頻率v，頻率越高，單個量子能量越高。

電光火石之間，愛因斯坦忽然看見了什么。提高頻率，單個量子能量越高。那么，如果光不是連續(xù)分布的，而是一種量子呢？一切問題剎那間迎刃而解，提高頻率，單個光量子能量越高，就越容易打出電子，單個光量子的能量大于金屬原子對電子的束縛能，就能夠打出電子。這正好解釋了為什么頻率決定了能否打出電子。而提高光的強度，則對應著提高光量子的數(shù)量，光量子越多，打出來的電子越多，強度決定了打出電子的數(shù)量。好了，先生們，現(xiàn)在光電效應被完美解釋。

愛因斯坦總結(jié)的光電效應方程

而后愛因斯坦根據(jù)這個思路寫出一個方程，等號左邊是被打出來的電子具有的動能，等號右邊是單個光量子的能量減去打出電子所需要的最小能量。

光電效應成功解釋對于量子力學的意義

索爾維會議合照

我們需要注意到，雖然愛因斯坦成功解釋了光電效應，但是這有一個前提，這個前提是：普朗克的量子假說。愛因斯坦在這里對于光進行了量子化處理，認為光是一種光量子。在當時，光被認為是波，波是連續(xù)的，而量子是一份一份的，不連續(xù)的。愛因斯坦此舉無疑是挑戰(zhàn)原有的經(jīng)典物理體系，是天才的想法，更是看起來離經(jīng)叛道的想法。

其實在普朗克提出量子假說后，普朗克本人都不太相信，量子到底是個什么東西，到底存在嗎，普朗克本人不確定。而愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應，這是開創(chuàng)性的工作。毫無疑問，愛因斯坦使用量子論觀點，成功解釋了光電效應，這無疑是對量子力學正確性的一種巨大肯定。

量子論對于光電效應的成功解釋為量子力學的發(fā)展注入了強大的力量，更是對量子論的進一步發(fā)展，是量子論建立過程中的里程碑事件。這讓人們正式把量子論拿到臺面上來瘋狂討論，在此之后，量子論進入了一個高速發(fā)展的時期，薛定諤，德布羅意，海森堡，波恩們你方唱罷我方登場，開啟了量子力學黃金時代。

參考文獻：

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