《追寻物理本质》：光量子理论与光电效应

光量子理论的提出

奠定量子力学建立的基础

光量子理论，是爱因斯坦于1905年受到德国物理学家普朗克的启发提出的。他认为在空间传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光量子，简称光子，光子的能量E跟光的频率V成正比，即E=HV，这个学说后来就叫光量子假说。

爱因斯坦

19世纪时，在大多数理论中，光被描述成由无数微小粒子组成的物质。由于微粒说不能较为容易地解释光的折射、衍射和双折射等现象，胡克和惠更斯等人提出了光的（机械）波动理论；但在当时由于牛顿的权威影响力，光的微粒说仍占有主导地位。19世纪初，托马斯·杨和菲涅尔的实验清晰地证实了光的干涉和衍射特性。到1850年左右，光的波动理论已经完全被学术界接受。1865年，麦克斯韦的理论预言光是一种电磁波，证实电磁波存在的实验由赫兹在1888年完成，这似乎标志着光的微粒说的彻底终结。然而，麦克斯韦理论下的光的电磁说并不能解释光的所有性质。与此同时，由众多物理学家进行的对于黑体辐射长达40多年（1860～1900年）的研究因普朗克建立的假说而得到终结，普朗克提出任何系统发射或吸收频率为V的电磁波的能量总是E=hv的整数倍。普朗克的量子假说提出后的几年内，并未引起人们的兴趣，爱因斯坦却看到了它的重要性。他赞成能量子假说，并从中得到了重要启示：在现有的物理理论中，物体是由一个一个原子组成的，是不连续的，而光（电磁波）却是连续的。爱因斯坦由此提出的光量子假说则能够成功对光电效应做出解释，爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的理论先进性在于，麦克斯韦的经典电磁理论中电磁场的能量是连续的，能够具有任意大小的值，而由于物质发射或吸收电磁波的能量是量子化的，这使得很多物理学家试图去寻找是怎样一种存在于物质中的约束限制了电磁波的能量只能为量子化的值；而爱因斯坦则开创性地提出电磁场的能量本身就是量子化的。爱因斯坦并没有质疑麦克斯韦理论的正确性，但他也指出如果将麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中到一个个运动互不影响的光量子上，很多类似于光电效应的实验能够被很好地解释。1909年和1916年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有p=h/λ的动量，以赋予它们完美的粒子性。

光电效应

1905年，爱因斯坦发表了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，成功的解释了光电效应并确定了它的规律。他以勒纳利总结出的光电效应性质作为光是微粒的根据，并且和德国物理学家普朗克的量子假设结合起来，提出了量子假说。他不满足普朗克把能量子的不连续性局限在辐射的发射和吸收过程中，而是认为即使在光的传播过程中能量也是不连续的。普朗克将它的振子当作以量子hν的形式发射频率ν的辐射，并且也以分离的形式吸收辐射的物体。如果一个物体发射量子，而另一个物体吸收它们，那么在两个物体之间的空间中发生了什么呢？爱因斯坦提出的观点是，在这两个物体之间通过的能量同样像是以光速飞行的量子组成的。这样一来，可见光线以及不可见光线都被假定为由彼此独立的飞过空间的孤立成分组成的。这个理论类似于牛顿的微粒说，但是在量子论中不可见光的部分由于具有较高频率所以就较大，而牛顿的观点是红色微粒大于紫色微粒。爱因斯坦为了摆脱从麦克斯韦的电学理论和电子论中做出的与观察不符的结论而提出了他的光量子理论。他提出，一束单色光，就是一束以光速C运动的粒子流，这些粒子称为光量子（1926年后改称光子）。每个光子都有一定的能量，对于频率为ν的光，其光子能量为E＝hν，h为普朗克常数，光束的能量就是这些光子能量的总和。一定频率的光，光子的数量越多，光的强度就越大。光电效应是由于金属中的自由电子吸收了光子能量而从金属中逸出而发生的。他认为光（电磁辐射）是由光量子组成，每个光量子的能量E与辐射频率ν的关系是：E＝hν，此即爱因斯坦的光量子假说。1916年，爱因斯坦给出的这个关系式被实验所证实。(www.xing528.com)

爱因斯坦还根据光的动量和能量关系p＝E/c＝h/λ，指出光量子的动量P与辐射波长λ的关系为p＝h/λ。1923年，康普顿散射实验证实了这一设想是正确的。利用爱因斯坦提出的光量子能量及动量的关系式，不难解释在光电效应中出现的疑难问题。当紫外光照射到金属时，一个光子的能量立刻被金属中的电子吸收。但是，只有当光子的能量足够大时，电子才有可能克服逸出功W而逸出金属表面成为光电子。光电子的动能，式中V是光电子的速度，V是光子的频率。由上式可以看出，只有当光子的频率V不小于阙值V＝W/H时，才有光电子的发射，否则无光电效应发生；光电子的动能只依赖照射光的频率V，而与照射光的强度无关。至此，爱因斯坦的光量子假说克服了经典理论遇到的困难，成功地解释了光电效应中观察到的实验现象。发展了普朗克所开创的量子理论，爱因斯坦对旧理论不是采取改良的态度，而是要求弄清事物的本质彻底解决问题，他看出量子不是一个成功的数学公式，而是揭露光的本质的手段。他克服了普朗克量子假说的不彻底性，把量子性从辐射的机制引申到光的本身上，认为光本身也是不连续的，光不仅在吸收和发射时是量子化的，而且光的传播本身也是量子化的。

光量子理论的三大先驱

爱因斯坦光量子理论的重要意义，不仅在于对光电效应做出了正确的解释，更重要的是光量子假说恢复了光的粒子性，使人们终于认清了光的波粒双重性格，而且在他的启发下，发现了德布罗意物质波，使人们认清了微观世界的波粒二象性，为后来量子力学的建立奠定了基础。

光电效应的发展及应用

1887年，赫兹研究了电火花的紫外光照射在火花隙缝的负电极上时有助于放电；1888年，德里斯登的霍尔瓦克斯发现在光的影响下，物体释放出负电；1900年，普朗克提出量子假设，给出正确的黑体辐射公式，为此获得1918年诺贝尔物理学奖；1905年，爱因斯坦提出光量子理论，解释了光电效应，为此获1921年诺贝尔物理学奖；1916年，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应理论，为此及其油滴实验获诺贝尔物理学奖。利用光电效应中光电流与入射光强度成正比的特性，可以制造光电转换器——实现光信号与电信号之间的相互转换。如光电管等，被广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。