愛因斯坦與光電效應(yīng)：一束光如何逼出了“粒子”真身

1887年，赫茲做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

他本來想驗(yàn)證麥克斯韋的電磁波理論。結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：紫外光照射電極，更容易產(chǎn)生電火花。

他親手為波動(dòng)說奠基，卻無意中埋下了顛覆它的第一顆種子。

這個(gè)現(xiàn)象，后來叫光電效應(yīng)。

一束光打在金屬上，電子瞬間迸出。

經(jīng)典物理的大廈，在這一刻裂開了一道縫隙。

青年愛因斯坦

詭異的現(xiàn)象：經(jīng)典物理解釋不了

后續(xù)研究揭示出四大詭異現(xiàn)象。

第一，有“紅限”。

頻率太低，光再強(qiáng)也打不出電子。

第二，動(dòng)能只跟頻率有關(guān)。

光再強(qiáng)，動(dòng)能也不變。

第三，瞬間響應(yīng)。

光一照，電子就出來。

第四，電流跟光強(qiáng)成正比。

這個(gè)波動(dòng)說能解釋。但前三項(xiàng)已經(jīng)判了死刑。

解釋不了。紅光再強(qiáng)也不行，紫光再弱就行。

解釋不了。強(qiáng)藍(lán)光和弱藍(lán)光打出的電子，動(dòng)能一樣。

解釋不了。弱光下，按波動(dòng)說至少要等幾分鐘，但實(shí)驗(yàn)是瞬間。

經(jīng)典物理陷入了困境。

正如愛因斯坦后來在《物理學(xué)的進(jìn)化》中說的：“當(dāng)人們試圖用連續(xù)分布的能量來解釋光電效應(yīng)時(shí)，這種想法遇到了極大的困難。”

愛因斯坦的孤勇一擊

1905年，愛因斯坦在瑞士專利局當(dāng)小職員。

他看了普朗克的能量子概念，覺得普朗克走的不夠遠(yuǎn)。

普朗克認(rèn)為，能量只在發(fā)射和吸收時(shí)是一份一份的，傳播時(shí)還是連續(xù)的波。

愛因斯坦說：不，光在傳播過程中本身就是量子化的。

他提出了光量子假說（后來叫光子）：

• 光由光子組成，每個(gè)光子的能量是E = hν（h是普朗克常數(shù)，ν是頻率）
• 光子不可分割，只能整個(gè)被吸收或發(fā)射

據(jù)此，他推導(dǎo)出了愛因斯坦光電方程：

hν = ?mv2 + W

?mv2是光電子最大動(dòng)能，W是金屬的逸出功（材料特性）。

這個(gè)方程把所有疑難都解決了：

• 紅限存在：hν < W時(shí)，光子能量不夠，電子出不來
• 動(dòng)能由頻率決定：電子一次性吸收整個(gè)光子，扣除固定逸出功，剩下的自然只跟頻率有關(guān)
• 瞬間響應(yīng)：一次碰撞，一次性交割，不用積累
• 電流與光強(qiáng)成正比：光強(qiáng)越大，光子越多，打出的電子越多

但這個(gè)理論提出后，幾乎沒人信。

連普朗克都反對。1913年，他推薦愛因斯坦當(dāng)普魯士科學(xué)院院士，在推薦信里寫道：“在他所做的光量子假說中，他可能走得太遠(yuǎn)了……”

密立根：花十年想證偽，結(jié)果成了鐵證

真正讓科學(xué)界低頭的，不是理論本身，而是一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家花了十年時(shí)間做的實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)人叫密立根。他最初的目標(biāo)，恰恰是證偽愛因斯坦的理論。

從1904年開始，他用不同金屬（鈉、鎂、鋁、銅），在超高真空環(huán)境中，精確測量遏止電壓（使光電流降為零的反向電壓）。

根據(jù)愛因斯坦光電方程，遏止電壓U?與入射光頻率ν應(yīng)該呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，而且斜率是普適常數(shù)，跟金屬?zèng)]關(guān)系。

密立根測了十年。

結(jié)果讓他陷入了巨大的矛盾。數(shù)據(jù)無可辯駁地顯示：U?與ν確實(shí)是完美的直線關(guān)系。

他計(jì)算出的普朗克常數(shù)h≈6.56×10?3? J·s，跟普朗克從黑體輻射中算出來的高度吻合。

1916年，他不得不發(fā)表論文，承認(rèn)方程正確。

但他內(nèi)心依然抗拒，在論文里寫道：“盡管愛因斯坦的公式是成功的，但其物理理論（光量子假說）是完全站不住腳的。”

歷史跟他開了個(gè)玩笑：他因這項(xiàng)工作（及油滴實(shí)驗(yàn)）獲得了1923年諾貝爾獎(jiǎng)。

而他試圖推翻的愛因斯坦，則因光電效應(yīng)獲得了1921年諾貝爾獎(jiǎng)。

一個(gè)想證偽的人，成了最有力的證人。

密立根實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

康普頓：決定性的一擊

如果說密立根實(shí)驗(yàn)是“精密驗(yàn)證”，那1923年康普頓的X射線散射實(shí)驗(yàn)，就是“決定性勝利”。

康普頓發(fā)現(xiàn)，X射線被電子散射后，波長會(huì)變長。經(jīng)典波動(dòng)理論解釋不了這個(gè)現(xiàn)象。

康普頓把過程看成光子與電子的彈性碰撞，用能量守恒和動(dòng)量守恒一算，推導(dǎo)出波長變化公式，跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完美契合。

這不僅證明了光子有能量，還證明了光子有動(dòng)量——p = h/λ。

光子的完整粒子屬性，被直接“看到”了。

一位物理學(xué)家感慨：“上帝造了光，愛因斯坦指出了什么是光，而康普頓則第一個(gè)在真正意義上‘看到’了這光。”

光，終于被“看到”了。

康普頓散射示意圖

從假說到基石

從1905年假說提出，到1916年密立根驗(yàn)證，再到1923年康普頓證實(shí)。

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，完成了對光量子理論最堅(jiān)實(shí)的實(shí)證閉環(huán)。

它迫使物理學(xué)界接受了光的波粒二象性：光在傳播時(shí)是波（干涉、衍射），跟物質(zhì)作用時(shí)是粒子（吸收、發(fā)射、散射）。

普朗克常數(shù)h，成了量子世界的核心標(biāo)識。

愛因斯坦晚年坦言：“這50年的沉思，并沒有使我更接近‘什么是光量子’這個(gè)問題的解決。”

但這枚由他點(diǎn)燃、被實(shí)驗(yàn)淬煉的“光量子”火種，已經(jīng)徹底照亮了通往量子力學(xué)的大門。

一束光打在金屬上，濺起的不僅是電子。

還有一個(gè)全新時(shí)代的序幕。

從赫茲的意外發(fā)現(xiàn)，到愛因斯坦的孤勇假說，到密立根的不情愿驗(yàn)證，到康普頓的決定性一擊。

這條路上，有人挖坑，有人鋪路，有人想拆橋，最后都成了奠基人。

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