1887年的一天，德國卡爾斯魯厄大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里一位年輕教師赫茲正在擺弄實(shí)驗(yàn)設(shè)備，他終于發(fā)現(xiàn)了接收器兩端間隙之間存在著微弱的“電火花”。 這個(gè)期待已久的發(fā)現(xiàn)“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(chuàng)立、麥克斯韋構(gòu)建、赫茲登頂?shù)拇髲B終于站在了物理世界的版圖上，成為與牛頓力學(xué)相媲美的經(jīng)典理論之一。
在測試電磁波的實(shí)驗(yàn)中，赫茲還對電磁波的速度、波長、反射等進(jìn)行了一系列的研究，最終得出了光就是電磁波的結(jié)論。 一個(gè)人呆在角落里，是空虛而孤獨(dú)的。
科學(xué)探究的游戲永遠(yuǎn)不會結(jié)束。 只要你愿意等待，總會有意想不到的驚喜。 科學(xué)思維在幕后，科學(xué)觀點(diǎn)隱藏在臺前。 你唱我登場，新舊交織。 當(dāng)劇情需要的時(shí)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(jī)會。
這一切都源于赫茲在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)令人費(fèi)解的現(xiàn)象，也正是這個(gè)現(xiàn)象揭開了關(guān)于光粒子本質(zhì)的科學(xué)探究的又一段曲折歷史。
光電現(xiàn)象的線索——赫茲實(shí)驗(yàn)的新發(fā)現(xiàn)
在一項(xiàng)檢查電磁波的實(shí)驗(yàn)中，赫茲用紫外線照射接收器，發(fā)現(xiàn)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(qiáng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他還在光源和火花隙之間放置各種氣體、液體和固體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，他推斷出使火花顯著增強(qiáng)的有效輻射有一個(gè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)火花的輻射確實(shí)是紫外線。 《論紫外線對放電的影響》成為科學(xué)史上第一篇研究光電效應(yīng)的文章。 赫茲的結(jié)論：高頻紫外線可以增強(qiáng)電火花。
對光電效應(yīng)的研究
1888年，赫茲的年輕助手威廉·霍瓦克斯（ ）根據(jù)赫茲的研究證實(shí)，電火花增強(qiáng)的原因是放電間隙中存在帶電體。 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果用紫外線照射金屬板，就會產(chǎn)生一股帶負(fù)電的粒子從金屬板向外流動(dòng)。 霍瓦克斯的工作使人們從“電火花”的出現(xiàn)轉(zhuǎn)向光改變金屬電性能的過程。 他提出的電荷轉(zhuǎn)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(yīng)因此也被稱為“霍瓦克斯效應(yīng)”。
此時(shí)對光電現(xiàn)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(zhì)的發(fā)現(xiàn)。
陰極射線解密“什么是電？”
當(dāng)裝有兩個(gè)電極的玻璃管抽成真空時(shí)，兩個(gè)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(fā)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(xué)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(jìn)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(zhuǎn)。 因此赫茲簡單地認(rèn)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(xù)研究陰極射線，得出陰極射線是帶負(fù)電的粒子流的結(jié)論。 最終，1897 年 JJ 湯姆森測量了帶負(fù)電粒子的荷質(zhì)比，成為第一個(gè)發(fā)現(xiàn)電子的人。 從此，人類的科學(xué)視野深入到了原子的微觀領(lǐng)域。
電子的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代原子物理研究的開始，也為光電效應(yīng)的研究掃清了道路。
埃爾斯特和蓋特爾對光電效應(yīng)的研究
埃爾斯特和蓋特爾首先發(fā)現(xiàn)不同的金屬需要不同波長的光才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。 對于鈉、鉀、銣等堿金屬，可見光會產(chǎn)生光電效應(yīng)。 當(dāng)JJ湯姆森發(fā)現(xiàn)電子時(shí)，埃爾斯特斯特也發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)中產(chǎn)生的帶負(fù)電粒子的荷質(zhì)比與電子相同，從而證實(shí)光電效應(yīng)中產(chǎn)生的帶負(fù)電粒子是電子，稱為光電子。
倫納德對光電效應(yīng)的研究
倫納德解開陰極射線之謎后，又回到了光電效應(yīng)的問題上。 為了加快電子的速度并測量其能量，倫納德發(fā)明了光電管來進(jìn)行定量研究。 1902年，他發(fā)表了一篇論文，介紹了他的研究成果。 倫納德得出結(jié)論，發(fā)射的電子數(shù)量與入射光的能量成正比。 電子的速度和動(dòng)能與發(fā)射的電子數(shù)量無關(guān)，只與光的波長有關(guān)。 隨著波長減小，動(dòng)能增加。 每種金屬都對應(yīng)于特定的頻率。 當(dāng)入射光低于該頻率時(shí)，不會發(fā)生光電效應(yīng)。
倫納德對光電效應(yīng)的規(guī)律了解得很清楚，但解釋起來卻有些困難，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)典電磁理論，光波也就是電磁波的能量是由振幅（電磁場強(qiáng)度）和與頻率無關(guān)。 光電效應(yīng)是如何發(fā)揮作用的？ 光的頻率是能否產(chǎn)生光電子的決定條件嗎？ 此外，隨著時(shí)間的推移，金屬板應(yīng)該接收更多的輻射能。 為什么光電效應(yīng)與光照時(shí)間無關(guān)，并且在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射出光電子？
為了解釋這些現(xiàn)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(nèi)部。紫外光僅起到激發(fā)作用，很像點(diǎn)燃裝滿子彈的槍的導(dǎo)火索。我發(fā)現(xiàn)了這個(gè)”結(jié)論很重要，因?yàn)閺闹形覀兞私獾剑粌H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(fā)射輻射，當(dāng)發(fā)射輻射時(shí)，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(diǎn)被稱為“觸發(fā)理論”。 頻率決定了能否發(fā)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(shí)上，光電子的能量來自原子。 在內(nèi)部康普頓效應(yīng)，電磁波僅起到激勵(lì)作用。
觸發(fā)理論成為經(jīng)典理論下對光電效應(yīng)的解釋。 在當(dāng)時(shí)的科學(xué)界產(chǎn)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(xué)獎(jiǎng)。 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(xué)之旅。
愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋
1905年成為愛因斯坦物理學(xué)奇跡的一年。 這一年，愛因斯坦在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)、量子論和相對論三個(gè)領(lǐng)域發(fā)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(jiǎng)獲得者。 貝爾獎(jiǎng)評審委員會陷入了困境。 當(dāng)時(shí)，量子論似乎還存在爭議，相對論也難以理解，熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)似乎沒有前兩者出名。 本應(yīng)在1921年頒發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)，直到1922年才重新頒發(fā)給愛·愛因斯坦，原因是闡明了光電效應(yīng)定律。
讓我們回到 1905 年。愛因斯坦在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)性觀點(diǎn)》中寫道：“事實(shí)上，在我看來，黑體輻射、光致發(fā)光、從紫外線產(chǎn)生陰極射線、如果通過光的能量在空間中不連續(xù)分布的假設(shè)來解釋，其他一些關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的觀察似乎更容易理解。 根據(jù)這里設(shè)想的假設(shè)，從點(diǎn)光源發(fā)出的光的能量在傳播過程中并不是連續(xù)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(diǎn)的有限數(shù)量的能量量子組成。 這些能量量子可以移動(dòng)但不能分割。 它只能被吸收或完全產(chǎn)生。”在論文中，愛因斯坦創(chuàng)造性地提出了“光量子”的概念，并用它來解釋光致發(fā)光（熒光）和光電效應(yīng)等現(xiàn)象。對于光電效應(yīng)，他指出“光的能量連續(xù)分布在其所經(jīng)過的空間中的普遍觀點(diǎn)在試圖解釋光電現(xiàn)象時(shí)遇到??了特別巨大的困難。”愛因斯坦進(jìn)一步指出，當(dāng)考慮光電子的初始動(dòng)能時(shí)，將其繪制在笛卡爾坐標(biāo)系中作為入射光頻率的函數(shù)，得到一條直線，其斜率不依賴于所研究物質(zhì)的類型，顯然，斜率就是普朗克常數(shù)h。
關(guān)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(diǎn)。 1900年，普朗克在解決黑體輻射問題時(shí)提出了電磁輻射的量子觀點(diǎn)。 普朗克本人幾乎被自己的理論嚇壞了。 他謹(jǐn)慎保守地認(rèn)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(xù)性。 畢竟此時(shí)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(xué)領(lǐng)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(shí)代的粒子論。 因此，光量子的提出遭到了更多的質(zhì)疑和沉默。 甚至在光量子假說提出八年后，當(dāng)普朗克、能斯特、魯本和瓦爾堡提名愛因斯坦為普魯士科學(xué)院院士時(shí)，他們都對愛因斯坦的光量子理論持否定態(tài)度。 提名推薦信中有這樣一段話：
“總之，我們可以說，現(xiàn)代物理學(xué)中幾乎沒有一個(gè)重要問題愛因斯坦沒有做出巨大的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，他的創(chuàng)新思維有時(shí)會偏離目標(biāo)。比如他的光量子假說，但是我們不應(yīng)該過分批評他。因?yàn)椋词乖谧罹_的科學(xué)中，也不可能在不冒任何風(fēng)險(xiǎn)的情況下提出真正的新想法。”
英國物理學(xué)家盧瑟福也持有同樣的觀點(diǎn)：“能量和頻率之間這種明顯的聯(lián)系目前還沒有可能的物理解釋。”
愛因斯坦本人也持保留態(tài)??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?yàn)槲乙呀?jīng)明白，我的大腦不可能完全理解它們。”
然而，一個(gè)理論正確與否，最終還是需要通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。
密立根測量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)
密立根實(shí)驗(yàn)裝置
美國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根在1916年設(shè)計(jì)了一個(gè)精確的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)愛因斯坦的光電效應(yīng)理論。密立根最初的想法是通過實(shí)驗(yàn)來否定愛因斯坦的光量子理論，但結(jié)果卻出現(xiàn)了戲劇性的逆轉(zhuǎn)。 ，光電子初始動(dòng)能與光頻率之間函數(shù)曲線的斜率恰好等于解釋黑體輻射時(shí)的普朗克常數(shù)h。 此時(shí)，密立根仍然“嚴(yán)格地”相信“愛因斯坦方程的全面而嚴(yán)格的正確性已經(jīng)得到了”。 現(xiàn)在說絕對肯定還為時(shí)過早。”但他承認(rèn)，“當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)比過去所有的實(shí)驗(yàn)都更有說服力地證明了這一點(diǎn)。 如果這個(gè)方程在所有情況下都是正確的康普頓效應(yīng)，那么它應(yīng)該被認(rèn)為是最基本和最有前途的物理學(xué)方程之一，因?yàn)樗菦Q定所有短波電磁輻射轉(zhuǎn)化為熱能的方程。”
康普頓散射實(shí)驗(yàn)
1919年至1920年，康普頓赴英國卡文迪什實(shí)驗(yàn)室在湯姆森和盧瑟福的指導(dǎo)下做訪問學(xué)者。 他進(jìn)行了伽馬射線散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)無法用經(jīng)典理論來解釋。 結(jié)果。 回國后，他用單色X射線和布拉格晶體光譜儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 通過從不同角度測量目標(biāo)周圍散射互射線的波長，他發(fā)現(xiàn)散射波中包含波長遞增的波。 這種現(xiàn)象就是著名的康普頓效應(yīng)。 康普頓指出：散射應(yīng)遵守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。 發(fā)射的 X 射線的較長波長證明 X 射線光子攜帶量子化動(dòng)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(yīng)提供了令人滿意的理論解釋。 康普頓散射實(shí)驗(yàn)不僅證明了微觀領(lǐng)域守恒定律的成立，光量子的概念也再次經(jīng)受住了考驗(yàn)。
這樣，愛因斯坦的光量子假說成功地解釋了光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。 人們逐漸接受了光量子理論。 由于動(dòng)量性質(zhì)的確認(rèn)，1926年，美國物理學(xué)家劉易斯提出光子的概念來代替光量子。
然而，光的本質(zhì)仍然令人困惑，愛因斯坦直到晚年仍然對此感到擔(dān)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(dāng)然，現(xiàn)在每個(gè)不誠實(shí)的人都認(rèn)為自己知道答案，但他在欺騙自己。”
真正進(jìn)行科學(xué)探究的人，都是默默前行的孤獨(dú)者。 他們也很困惑，但從不害怕。 我認(rèn)為支撐他們前進(jìn)的力量是暢通無阻的——事實(shí)和邏輯。 真相可能離我們很遠(yuǎn)。 在事實(shí)發(fā)現(xiàn)和邏輯推演的道路上，不乏這些先驅(qū)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(dǎo)圖
