上期回顧：
量子世界歷險記（一）：高山流水，惡魔出沒
量子世界歷險記（二）：大時代的小問題
量子世界歷險記（三）：大幕拉開
量子世界歷險記（額外）：普朗克公式如何結(jié)合維恩公式和瑞利公式
量子世界歷險記（四）：大神的神諭
【本文標題】量子世界歷險記（五）：奇跡之年
如果讓公眾選出近百年來最偉大的物理學家，那一定是他。
如果讓公眾選出過去兩百年來最偉大的物理學家，那一定是他。
如果讓公眾選出過去三百年來最偉大的物理學家，那一定是他。
如果公眾要選出過去四百年來最偉大的物理學家，那一定是牛頓和他。
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1905年，世界上沒有發(fā)生什么特別大的事情。 在我國，現(xiàn)在是清朝光緒三十一年。 今年，我國第一條自建鐵路——京張鐵路開通，詹天佑擔任總工程師。
詹天佑
然而，這看似平凡的一年，實際上在物理學史上非常有名。 為此，它有一個特殊的名字，叫做“奇跡年”。
有什么奇跡呢？
今年，瑞士首都伯爾尼專利局的一位三級技術(shù)人員發(fā)表了幾篇文章。 當時，三級技師26歲。 順便說一句，技術(shù)人員從高到低分為一級、二級、三級，其中三級是最小的。 共發(fā)表論文5篇，分別是：
“光與光的觀點”
“新的”
“在小中，如在熱中”
“關(guān)于”
“它身上有尸體嗎？”
光看標題可能不太容易理解。 如果把每篇文章的內(nèi)容都列出來就更清晰了：
第一章光電效應(yīng)
第二部分，擴散速度的數(shù)學公式
第三篇布朗運動證明原子的存在
第四部分，狹義相對論
第五部分，質(zhì)能方程E=mc^2
此后，他完成了十年的工作，于1916年發(fā)表了題為《廣義相對論的基礎(chǔ)》的文章，也就是《廣義相對論》。
瑞士專利局的一名低層職員，一年之內(nèi)在多個領(lǐng)域取得了開創(chuàng)性的成就。 這是奇跡嗎？ 我覺得這真是太神奇了。
后來他還獲得了一個諾貝爾獎——1921年的諾貝爾物理學獎。我之所以強調(diào)一次光電效應(yīng)知識點，是因為我認為他可以多次獲獎。 你知道他因哪項成就獲得唯一的諾貝爾獎嗎？
這是第一篇文章“光的產(chǎn)生和變換的啟發(fā)性觀點”，這是他對光電效應(yīng)的原創(chuàng)解釋。
光電效應(yīng)
不用說他是誰嗎？
阿爾伯特·愛因斯坦（1879-1955）
愛因斯坦：我看起來像這樣。 那時候的我好帥啊。
愛因斯坦這樣解釋光電效應(yīng)：光不是源源不斷的光源，而是被分成小包（）。 每個部分稱為一個光子。 愛因斯坦最初將其命名為光量子（），后來被美國化學家劉易斯正式命名為光子（）。 每個光子攜帶的能量為 hυ，其中 υ 是其頻率，h 是普朗克常數(shù)。 請注意，這里光子的能量僅與其頻率υ有關(guān)。
當光子撞擊金屬表面時，其能量被金屬表面上的電子吸收，導致電子獲得額外的能量。 但電子吸收的光子能量只能被一塊一塊地吸收。 如果光子的頻率很大，其攜帶的能量hυ足夠大，那么電子就能獲得足夠的能量，掙脫原子核的束縛，逃離金屬。 因此，即使光很弱，只要它的頻率足夠高，哪怕只有一個光子，也能將電子擊落。
相反，如果入射光子的頻率比較低，它攜帶的能量huυ就較少，電子每次只能吸收較少的能量。 請注意，該能量無法累積。 電子一次只能吸收一個光子的能量。 如果一次吸收不夠，那就不夠了。 即使有更多的光子過來，也無濟于事。
這個有點像波浪和碼頭。 什么樣的波浪可以把水推過碼頭？ 如果大浪襲來，水就會漫過碼頭； 小浪襲來，水也不能漫過橋墩。 這個比喻的關(guān)鍵在于：無論小浪襲來多少，水都不能漫過橋墩，無論小浪襲來多久光電效應(yīng)知識點，水也不能漫過橋墩。 而且只需要一個大浪就能打濕碼頭。
這就是為什么當用紫外線（大υ）照射時，即使光線很弱，也能射出電子； 而用紅光（小υ）照射時，即使光很強，即使長時間照射，也不能射出電子。 至于光的強度，更強的光可以發(fā)射更多的電子。
這個結(jié)論不僅適用于光，也適用于所有電磁波，因為麥克斯韋很早就告訴我們，光只是電磁波的一種。 由于電磁波是波，其波速、波長、頻率之間的關(guān)系如下：
λ 是波長，υ 是頻率。 對于電磁波來說，其傳播速度就是光速 C.
愛因斯坦在解釋光電效應(yīng)方面取得了革命性的突破。 他對光的量子化解釋徹底顛覆了經(jīng)典的電磁輻射理論。 他因?qū)怆娦?yīng)的解釋和對理論物理的貢獻而獲得1921年諾貝爾物理學獎。
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我們來看一下光電效應(yīng)的數(shù)學表達式：光電效應(yīng)方程。
光電效應(yīng)方程
hυ 是光子能量，即光的頻率或“顏色”。 Ek是電子的最大初始動能，即能夠逃逸的電子所能獲得的最大動能。 W0 是功函數(shù)，即電子從金屬表面逃逸時克服表面勢壘所必須做的功。
也就是說，電子被束縛在原子中，至少需要W0的能量才能“解放”它。 如果光子能夠給予hυ這么多的能量，那么其中一部分被功函數(shù)抵消后，剩下的就會轉(zhuǎn)化為電子的動能。 如果單個光子的能量較高，金屬的功函數(shù)較低，則彈出電子的動能會較大。
那么問題來了。 對于某種材料，有固定的功函數(shù)。 那么什么樣的光可以射出電子呢？ 是的，就是光子能量 hυ，它必須至少大于功函數(shù) W0。
那么此時光的頻率正好等于功函數(shù)，稱為截止頻率。 只有大于截止頻率的光才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。
我們來看一下入射光頻率與彈射電子最大動能的關(guān)系曲線：
若Ek=0，
如果 ν=0，
因此，截止頻率和功函數(shù)可以表示為圖像的截距：
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光以前被認為更多的是一種波。 從愛因斯坦開始英語作文，物理世界逐漸認識到光同時具有波粒性的事實，從而引入了波粒二象性的概念。
光電效應(yīng)的本質(zhì)是光的量子化，類似于普朗克的能量量子化。 兩個巨人聯(lián)手打開了量子力學的大門。