1887年的一天，德國卡爾斯魯厄大學實驗室里一位年輕教師赫茲正在擺弄實驗設備，他終于發現了接收器兩端間隙之間存在著微弱的“電火花”。 這個期待已久的發現“電火花”成為麥克斯韋理論的完美注腳。 從此，電磁理論這座由法拉第創立、麥克斯韋構建、赫茲登頂的大廈終于站在了物理世界的版圖上，成為與牛頓力學相媲美的經典理論之一。
在測試電磁波的實驗中，赫茲還對電磁波的速度、波長、反射等進行了一系列的研究，最終得出了光就是電磁波的結論。 一個人呆在角落里，是空虛而孤獨的。
科學探究的游戲永遠不會結束。 只要你愿意等待，總會有意想不到的驚喜。 科學思維在幕后，科學觀點隱藏在臺前。 你唱我登場，新舊交織。 當劇情需要的時候，還會有必要的加演。 就像赫茲給了粒子致命一擊一樣，也給粒子帶來了絕境中求生的機會。
這一切都源于赫茲在實驗中發現的一個令人費解的現象，也正是這個現象揭開了關于光粒子本質的科學探究的又一段曲折歷史。
光電現象的線索——赫茲實驗的新發現
在一項檢查電磁波的實驗中，赫茲用紫外線照射接收器，發現接收器端隙中的火花變得更亮。 1887年5月，赫茲寫了一篇研究論文《論紫外線對放電的影響》。 為了找出光如何增強電火花，他使用了不同的金屬材料，如銅、黃銅、鋁、鐵和錫作為電極片。 使用火、太陽光、弧光等不同光源進行實驗，他還在光源和火花隙之間放置各種氣體、液體和固體進行實驗。 根據這些實驗的結果，他推斷出使火花顯著增強的有效輻射有一個接近可見光譜的極限。 為此，他利用石英棱鏡分散不同光源進行實驗，發現增強火花的輻射確實是紫外線。 《論紫外線對放電的影響》成為科學史上第一篇研究光電效應的文章。 赫茲的結論：高頻紫外線可以增強電火花。
對光電效應的研究
1888年，赫茲的年輕助手威廉·霍瓦克斯（ ）根據赫茲的研究證實，電火花增強的原因是放電間隙中存在帶電體。 進一步的實驗發現，如果用紫外線照射金屬板，就會產生一股帶負電的粒子從金屬板向外流動。 霍瓦克斯的工作使人們從“電火花”的出現轉向光改變金屬電性能的過程。 他提出的電荷轉移理論為后來的研究人員開辟了新的思路。 最初的光電效應因此也被稱為“霍瓦克斯效應”。
此時對光電現象的研究只能是定性的，更深入的研究有賴于人們對電的微觀本質的發現。
陰極射線解密“什么是電？”
當裝有兩個電極的玻璃管抽成真空時，兩個電極之間就會施加幾千伏的高壓，陰極對面的玻璃壁上就會閃爍出綠色的光芒，仿佛從陰極發出了可見光。 缺失的射線，這條射線是粒子流還是電磁波？ 這引起了科學家的注意。 這也包括赫茲。 1892年，赫茲和他的另一位助手倫納德進行了陰極射線的研究。 然而，由于真空不足，他們和許多同事一樣無法檢測到陰極射線的電磁偏轉。 因此赫茲簡單地認為陰極射線是一種特殊類型的電磁波。 然而，種種跡象表明，真相并不像赫茲想象的那么簡單。 兩年后，赫茲英年早逝。 倫納德繼續研究陰極射線，得出陰極射線是帶負電的粒子流的結論。 最終，1897 年 JJ 湯姆森測量了帶負電粒子的荷質比，成為第一個發現電子的人。 從此，人類的科學視野深入到了原子的微觀領域。
電子的發現標志著現代原子物理研究的開始，也為光電效應的研究掃清了道路。
埃爾斯特和蓋特爾對光電效應的研究
埃爾斯特和蓋特爾首先發現不同的金屬需要不同波長的光才能產生光電效應。 對于鈉、鉀、銣等堿金屬，可見光會產生光電效應。 當JJ湯姆森發現電子時，埃爾斯特斯特也發現光電效應中產生的帶負電粒子的荷質比與電子相同，從而證實光電效應中產生的帶負電粒子是電子，稱為光電子。
倫納德對光電效應的研究
倫納德解開陰極射線之謎后，又回到了光電效應的問題上。 為了加快電子的速度并測量其能量，倫納德發明了光電管來進行定量研究。 1902年，他發表了一篇論文，介紹了他的研究成果。 倫納德得出結論，發射的電子數量與入射光的能量成正比。 電子的速度和動能與發射的電子數量無關，只與光的波長有關。 隨著波長減小，動能增加。 每種金屬都對應于特定的頻率。 當入射光低于該頻率時，不會發生光電效應。
倫納德對光電效應的規律了解得很清楚，但解釋起來卻有些困難，因為根據經典電磁理論，光波也就是電磁波的能量是由振幅（電磁場強度）和與頻率無關。 光電效應是如何發揮作用的？ 光的頻率是能否產生光電子的決定條件嗎？ 此外，隨著時間的推移，金屬板應該接收更多的輻射能。 為什么光電效應與光照時間無關，并且在很短的時間內發射出光電子？
為了解釋這些現象，雷納德說：“逃逸的能量并不完全來自紫外光，而是來自特定原子的內部。紫外光僅起到激發作用，很像點燃裝滿子彈的槍的導火索。我發現了這個”結論很重要，因為從中我們了解到，不僅鐳原子含有儲存能量，其他元素的原子也儲存能量，它們也可以發射輻射，當發射輻射時，原子可能會完全碎裂。” （原子碎片）裂紋---Mr. 倫納德，你確定這不是騙局嗎？）
倫納德的觀點被稱為“觸發理論”。 頻率決定了能否發射光電子。 他將其解釋為光波和電子的共振。 電磁波的能量可以積累。 倫納德采取了不同的方法：事實上，光電子的能量來自原子。 在內部康普頓效應，電磁波僅起到激勵作用。
觸發理論成為經典理論下對光電效應的解釋。 在當時的科學界產生了很大的影響。 直到1905年倫納德才獲得了無與倫比的諾貝爾物理學獎。 然而，就在這一年，一位不知名的專利局傳奇年輕員工開始了他奇幻的科學之旅。
愛因斯坦對光電效應的解釋
1905年成為愛因斯坦物理學奇跡的一年。 這一年，愛因斯坦在熱力學統計、量子論和相對論三個領域發表了六篇論文。 他們每一位都可謂重量級人物，這也成就了后來的諾貝爾獎獲得者。 貝爾獎評審委員會陷入了困境。 當時，量子論似乎還存在爭議，相對論也難以理解，熱力學統計似乎沒有前兩者出名。 本應在1921年頒發的諾貝爾獎，直到1922年才重新頒發給愛·愛因斯坦，原因是闡明了光電效應定律。
讓我們回到 1905 年。愛因斯坦在《關于光的產生和轉變的指導性觀點》中寫道：“事實上，在我看來，黑體輻射、光致發光、從紫外線產生陰極射線、如果通過光的能量在空間中不連續分布的假設來解釋，其他一些關于光的產生和轉變的觀察似乎更容易理解。 根據這里設想的假設，從點光源發出的光的能量在傳播過程中并不是連續分布在越來越大的空間體積中，而是由集中在空間中某些點的有限數量的能量量子組成。 這些能量量子可以移動但不能分割。 它只能被吸收或完全產生。”在論文中，愛因斯坦創造性地提出了“光量子”的概念，并用它來解釋光致發光（熒光）和光電效應等現象。對于光電效應，他指出“光的能量連續分布在其所經過的空間中的普遍觀點在試圖解釋光電現象時遇到??了特別巨大的困難。”愛因斯坦進一步指出，當考慮光電子的初始動能時，將其繪制在笛卡爾坐標系中作為入射光頻率的函數，得到一條直線，其斜率不依賴于所研究物質的類型，顯然，斜率就是普朗克常數h。
關于光量子的問題
愛因斯坦的光量子理論基于普朗克的量子觀點。 1900年，普朗克在解決黑體輻射問題時提出了電磁輻射的量子觀點。 普朗克本人幾乎被自己的理論嚇壞了。 他謹慎保守地認為，能量量子只存在于電磁波的吸收和反射中，并不影響電磁波的連續性。 畢竟此時麥克斯韋的電磁理論方興未艾，正在幫助很多人。 幫助研究人員拓展科學領域的視野。 如果有人敢深入研究電磁理論，哼！
將光視為光量子似乎又回到了牛頓時代的粒子論。 因此，光量子的提出遭到了更多的質疑和沉默。 甚至在光量子假說提出八年后，當普朗克、能斯特、魯本和瓦爾堡提名愛因斯坦為普魯士科學院院士時，他們都對愛因斯坦的光量子理論持否定態度。 提名推薦信中有這樣一段話：
“總之，我們可以說，現代物理學中幾乎沒有一個重要問題愛因斯坦沒有做出巨大的貢獻。當然，他的創新思維有時會偏離目標。比如他的光量子假說，但是我們不應該過分批評他。因為，即使在最精確的科學中，也不可能在不冒任何風險的情況下提出真正的新想法。”
英國物理學家盧瑟福也持有同樣的觀點：“能量和頻率之間這種明顯的聯系目前還沒有可能的物理解釋。”
愛因斯坦本人也持保留態??度，在一封信中寫道：“至于這些量子是否真的存在，我不再詢問，也不再試圖解釋它們，因為我已經明白，我的大腦不可能完全理解它們。”
然而，一個理論正確與否，最終還是需要通過實驗來檢驗。
密立根測量普朗克常數的實驗
密立根實驗裝置
美國實驗物理學家密立根在1916年設計了一個精確的實驗來檢驗愛因斯坦的光電效應理論。密立根最初的想法是通過實驗來否定愛因斯坦的光量子理論，但結果卻出現了戲劇性的逆轉。 ，光電子初始動能與光頻率之間函數曲線的斜率恰好等于解釋黑體輻射時的普朗克常數h。 此時，密立根仍然“嚴格地”相信“愛因斯坦方程的全面而嚴格的正確性已經得到了”。 現在說絕對肯定還為時過早。”但他承認，“當前的實驗比過去所有的實驗都更有說服力地證明了這一點。 如果這個方程在所有情況下都是正確的康普頓效應，那么它應該被認為是最基本和最有前途的物理學方程之一，因為它是決定所有短波電磁輻射轉化為熱能的方程。”
康普頓散射實驗
1919年至1920年，康普頓赴英國卡文迪什實驗室在湯姆森和盧瑟福的指導下做訪問學者。 他進行了伽馬射線散射實驗，發現該實驗無法用經典理論來解釋。 結果。 回國后，他用單色X射線和布拉格晶體光譜儀進行了實驗。 通過從不同角度測量目標周圍散射互射線的波長，他發現散射波中包含波長遞增的波。 這種現象就是著名的康普頓效應。 康普頓指出：散射應遵守能量守恒定律和動量守恒定律。 發射的 X 射線的較長波長證明 X 射線光子攜帶量子化動量。 1922年，他利用單光子與自由電子的簡單碰撞理論，為這種效應提供了令人滿意的理論解釋。 康普頓散射實驗不僅證明了微觀領域守恒定律的成立，光量子的概念也再次經受住了考驗。
這樣，愛因斯坦的光量子假說成功地解釋了光電效應和康普頓效應。 人們逐漸接受了光量子理論。 由于動量性質的確認，1926年，美國物理學家劉易斯提出光子的概念來代替光量子。
然而，光的本質仍然令人困惑，愛因斯坦直到晚年仍然對此感到擔憂。 “五十年的有意識思考并沒有讓我更接近‘什么是光量子？’的答案。 當然，現在每個不誠實的人都認為自己知道答案，但他在欺騙自己。”
真正進行科學探究的人，都是默默前行的孤獨者。 他們也很困惑，但從不害怕。 我認為支撐他們前進的力量是暢通無阻的——事實和邏輯。 真相可能離我們很遠。 在事實發現和邏輯推演的道路上，不乏這些先驅者。 也許他們才是人類真正的靈魂。
附：光量子理論建立思維導圖
