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爱因斯坦与光电效应

伟大的赫兹让人类知道了电磁波的存在,他是一位和法拉第一样的天才,可惜不能像法拉第一样活到76岁。1894年,赫兹英年早逝,年仅37岁,连法拉第的一半都不到。

赫兹去世后,留下了一个谜题,几年前年他用紫外线光照射谐振的锌球时,产生的火花比没有紫外线照射强很多,奇怪的是,红外线和可见光都达不到这样的效果。他只把这个现象写进了论文,但是没有给出合理的解释。

这个发现立刻引起了物理学者们的好奇心,他们把这个实验单独的做了出来并证实了一些特性:

1.光的频率小于一定范围,不会产生光电效应,只有频率大到一定程度才可以。

2.光电效应和光的强度无关。即便很弱的紫外线也可以产生光电效应,而很强的红外线如果没有到临界值也无法产生光电效应。

1899年,也就是人类发现电子的后两年,汤姆逊也做了类似的实验,不用问他又在产生火花上加了荧光屏和磁场,几乎两年前发现电子如出一辙。汤姆孙这招可谓横行天下,就像乔帮主的降龙十八掌,虽不是上乘武学,却被他练的炉火纯青。看来,山不在高,有仙则灵,招不再多,管用就行。

此后,很多科学家尝试解释。那是一个麦克斯韦的时代,是电磁波的时代,也是光的微粒学说被赶出物理学大厦的时代。从电磁波入手自然是再合适不过的了。

如果是电磁波,能量会慢慢聚集,就像晒太阳一样,越晒越暖和。等到能量大到一定程度,电子就会溢出,而现在在临界频率以下的光照一天也没见一个电子溢出;而临界频率及以上的光轻松即便微弱也可以溢出电子。

到了1903年,有位赫兹的学生提出电子溢出是共振的结果,即紫外线的频率和极板上的电子发生共振,导致电子溢出。那么问题来了,电子的共振频率只有1个。若用比临界频率更大的光照射,也能溢出。这个理论别他自己的实验否定了。

1905年,注定是不平凡的一年,注定是要载入史册的一年。在前面已经讲过,爱因斯坦就在1905年发表了狭义相对论和质能方程。而在这些理论之前,实际上,爱因斯坦还发表了另外一篇文章《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,这是他1905年发表的第二篇论文,也是他一生发表的第四篇论文,前两篇均在他自称为“修皮鞋”的日子里完成的,并自嘲他们为毫无意义,但是这篇论文却及其以及相当有意义。

1900年,普朗克小心翼翼的提出能量子,那年爱因斯坦21岁。正值书生意气、挥斥方遒之时。普朗克不喜欢能量子,但是爱因斯坦却没有那么多顾虑,他把普朗克的能量子放到光电效应中,也得到了完美的解释:

1.光束是一群离散的量子,而不是连续性波动;

2.每个光量子的能量就是能量子,可用E=hf表示;

3.电子溢出需要给它一个能量,当能量子的能量大于等于临界能量A时,光子就可以溢出,溢出的光子有动能;

4.当能量子小于A时,则电子不会溢出。

爱因斯坦给出了光电效应方程:

(这个方程看上去很简单,但是爱因斯坦却因此获得唯一一个诺奖)

再回顾一下光的历史,从开始的惠更斯“波动说”被牛顿的“微粒说”一直打压,200多年后“微粒说”又被没麦克斯韦和赫兹的的“波动说”彻底打败,直到没有人再相信光是个微粒时,爱因斯坦又把“微粒”给请回来了。这才过了多少年啊!折腾来折腾去,也不管光受得了受不了。

受不了也得受。虽然爱因斯坦只是往前迈了一小步,但是文明却前进了一大步。而这一小步也是需要很大的勇气的,因为“光是电磁波”在赫兹之后就已经盖棺定论了,光作为微粒实际上已经在人们心中死去了,正因为如此,所以从1899到1905年的6年时间里,没有人试图用微粒学说去解释光电效应。初生牛犊不怕虎,敢于对原有理论挑战正是年轻人的特长,而纵观物理学史,大有见解的理论或者假说大部分出自年前人之手,这个圈子可能注定容不下太多的大器晚成的人。

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