愛因斯坦是迄今為止最偉大的科學家之一。其實我覺得我們完全可以把“其中之一”去掉。這位偉大科學家創(chuàng)立的相對論拓展了牛頓的時空觀,把我們的宇宙描述成由三維空間和一維時間組成的四維時空。相對論對時空和物質(zhì)的解釋更是經(jīng)典——空間和時間告訴物質(zhì)如何運動,物質(zhì)告訴空間和時間如何彎曲。
如此優(yōu)秀的理論卻沒有獲得諾貝爾獎,這一來是因為相對論太過先進,無法用當時的技術去驗證,二來也是因為諾貝爾獎評委會過于保守,還有一個原因就是愛因斯坦是猶太人。但愛因斯坦的名氣與日俱增,如果諾貝爾獎評委會不把諾貝爾獎頒給愛因斯坦,其權威性就會大打折扣。最后評委會想出了一個折中而穩(wěn)妥的辦法,就是把諾貝爾物理學獎頒給愛因斯坦,但完全不提相對論,而是因為他在1905年提出了光量子假說,并成功解釋了光電效應。
愛因斯坦僅僅因為光電效應獲得過一次諾貝爾獎,這讓人為他和他的相對論感到惋惜。
另一方面,我們在看一些荒野求生的電視劇的時候,會看到這種現(xiàn)象。主角被困在海洋中的一個荒島上,為了活下去,首先必須點燃一堆篝火。此時正是中午,烈日炎炎,主角找到易燃的木柴,拿出放大鏡,讓陽光透過放大鏡(凸透鏡)聚焦成一束高熱光線,最后照射到木柴上,點燃了木柴。太陽越大,陽光越強烈,溫度上升得越快,我們就越容易點燃木柴。
回到我們今天要說的光電效應,1887年,赫茲首次發(fā)現(xiàn)了光電效應,簡單來說,就是當我們用光照射金屬板時,金屬板上的電子會被擊落。
這種現(xiàn)象乍一看,和用放大鏡點燃木柴很像,沒什么奇怪的。但奇怪的是,當實驗者們增加光的強度時,按理說應該有更多的光電子產(chǎn)生。就好比我們用放大鏡點燃木柴一樣,陽光越強,它的熱量就越高,木柴就越容易點燃。但光電效應就很奇怪了,無論光的亮度怎么增加,飛出金屬表面的光電子數(shù)量都沒有變化。但當實驗者們換成更弱的紫光時,飛出的光電子數(shù)量瞬間就增多了。
許多理論物理學家提出過各種理論來解釋這一奇怪現(xiàn)象,但都沒有成功,其中普朗克理論是最接近真相的。
1900年,普朗克研究黑體輻射愛因斯坦光電效應方程式,發(fā)現(xiàn)光的能量不是連續(xù)的愛因斯坦光電效應方程式,而是零碎的,他提出了量子能量公式E=hv,這個公式非常重要,愛因斯坦正是基于這個公式,邁出了成功解釋光電效應最關鍵的一步。
E代表光子的能量,h是普朗克常數(shù),v是電磁波(光)的頻率。E=hv留學之路,告訴我們光子的能量和光的頻率有密切的關系,但和光的亮度無關。紫外光的頻率比我們的可見光高,所以攜帶的能量更大。能量越大,撞擊力就越強。當然,碰撞產(chǎn)生的光電子也就越多。
在電磁波中,X射線和伽馬射線的頻率比紫外線高,顯然它們的光電效應會更強,前文提到的用放大鏡點燃柴火就屬于光熱效應,兩者看似相似,其實有本質(zhì)區(qū)別。
1905年,愛因斯坦發(fā)表了《關于光的產(chǎn)生和變換的一種設想》的論文,提出了光量子假說,不僅成功解釋了光電效應,而且打開了量子世界的大門。雖然后來愛因斯坦對量子力學的完備性產(chǎn)生了質(zhì)疑,但他確實是這門學科的先驅(qū)之一。
光電效應在我們實際生活中也有著廣泛的應用,利用光電效應制成的光控電器,可以用于自動計數(shù)、自動報警等,電視攝像管、光電管、電光度計乃至農(nóng)業(yè)的害蟲防治都離不開光電效應。
愛因斯坦解釋光電效應的光量子假說雖然不如相對論,但絕對值得獲得諾貝爾獎,也是這位偉大的科學家留給人類的一筆寶貴的財富。