是兩個光子變成一個正負電子對還是光電效應？

是兩個光子變成一個正負電子對還是光電效應？

文/袁玉剛 圖/源於網際網路

1887年，德國物理學家赫茲發現：用紫外線照射兩個鋅質小球之一，在兩個小球之間就非常容易跳過電花。證實某些金屬物質內部的電子會被激發出來而形成電流，即光電效應。光電效應是自然界中一個重要而神奇的現象。

1900年，馬克思·普朗克把此現象解釋為光具有包裹式能量，指出光能的強弱是由其頻率決定的。即

E=hν

式中，E就是光所具有的「包裹式」能量，h是一個常數，統稱普朗克常數，ν就是光源的頻率。

圖1 光電效應

1905年，愛因斯坦在《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》一文中，用光量子理論對光電效應進行了全面的解釋。光電效應分為光電子發射、光電導效應和阻擋層光電效應，又稱光生伏特效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應；後兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。

光電效應公式為：

hν=(1/2)mv∧2+Φ

式中，m是被發射電子的靜止質量，v是被發射電子的初速度，Φ是功函數。只有光子的能量hν大於功函數Φ，才會有電子射出。

根據愛因斯坦光量子理論，光電效應中光電子的能量取決於照射光的頻率，而與照射光的強度無關。入射光波長小於某一臨界值即極限波長（對應的光的頻率叫做極限頻率）時，某些金屬材料就能垂直於金屬表面向外發射電子。這一點無法用光的波動性解釋。只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光電效應幾乎都是瞬時的。這也與光的波動性相矛盾。入射光的強度只影響光電流的強弱。

圖2 愛因斯坦

1916年，美國科學家密立根通過精密的定量實驗驗證了愛因斯坦方程是精確成立的，從而證明了光量子理論。並首次對普朗克常數h作了直接的光電測量，精確度大約是0.5%。

1921年，愛因斯坦由於用光量子理論對光電效應進行了全面的解釋獲得諾貝爾物理學獎。1923年，密立根「因測量基本電荷和研究光電效應」獲得諾貝爾物理學獎。

光電效應被廣泛應用到科研儀器和工業上。

只要光的頻率高於金屬的極限頻率，某些金屬材料就能垂直於金屬表面向外發射電子。伽馬光子照射在金屬上，一定發射電子。

1934年，科學家布雷特和惠勒提出：如果讓兩個光子通過撞擊結合在一起，有可能變成物質，形成電子和正電子。但是，純光變正負電子對從未在實驗室裡被觀察到過。科學家們又提出：光子必須用高能的伽瑪光子；並且，高能伽馬光子必須離其它大質量或大電量的物體足夠近，才能產生正負電子對。

天文學家們觀察到：當γ光子能量足夠高（大於1.02MeV）並且從原子核旁邊經過時，輻射光子可能轉化成一個正電子和一個負電子，即電子對效應。

圖3 電子對效應

1951年，施溫格從理論上描述了在靜態均勻電場中的正負電子對的產生過程，並給出了正負電子對的產生率。

1986年，Cowan在重離子碰撞實驗中觀測到了正負電子束。1997年，Burke等利用1018W/cm2的雷射束與斯坦福直線加速器(SLAC)產生的46.6 GeV 電子束對撞，產生了正負電子對(nν0+ν→e−+e+)。

2009年，Chen利用1020W/cm2的超強雷射照射金靶，產生高能γ光子，與高Z核相互作用，產生大量正負電子。

看起來，好像兩個光子可以變成一個正負電子對。但為什麼要在鉛核、金核等高Z核旁邊才形成呢？為什麼就不能是光電效應呢？再說，多少億個實驗數據才能找到一例能生成正負電子對的？為什麼非要摘取少數事例而摒棄絕大多數事例呢？

可見，兩個光子不能變成一個正負電子對，但可以撞出高Z核裡的正負電子。電子對效應應該是光電效應，只是需要的能量更高而已。