愛因斯坦的「光電效應」是什麼?人類在探尋光的本質上從未間斷!

2020-12-04 科學認識論

我們生下來看到的世界都是光明的，光或許因為是司空見慣的，所以讓許多人都忽略了它的存在。但關於光的本質是什麼？是最近幾百年來人類一直追尋的問題，直到現在，並未間斷過。從幼稚到成熟，人類對光的認識可以算的上是一部大戲劇！

最開始有個 名叫伽森狄的法國數學家，他認為光就是由大量的微粒構成的，光的本質就是微小的粒子實體，只不過它們的運動速度貌似挺快的。然後牛頓認可並發展了光的微粒學說，儘管在這期間也有胡克的光的波動學說，但是波動說不成氣候，因為牛頓在當時的科學界幾乎是神一樣的存在著，牛頓的學說就是權威的，與牛頓相違背的大都被認為是「民科」！

光的微粒說

以牛頓為首 所代表的的光的微粒說統治科學界近兩百年！直到十九世紀，光的微粒說的權威地位才有所動搖。1800年， 託馬斯楊 用實驗證明了光的幹涉現象是存在的，這也就直接證實了光是一種波，因為幹涉現象僅是波才具有的特徵。 到此時 人們不確定光的本質 到底是 波還是粒子？ 大家都迷糊了，也不知道到底信誰的，一直就這樣糾結著！

光的波動

赫茲是研究電磁波的，他用實驗驗證了麥克斯韋預言的電磁波。 之後，赫茲做實驗時有了意外的發現。當他用光照射金屬硒的表面時，發現了其導電時的電阻變小，之後的大量實驗告訴他一個事實：但光照射到某些金屬表面時，會有某種物質從金屬表面溢出。之後人們知道了這種溢出來的物質是負電荷，隨後電子的發現，又讓人們知道 這種負電荷就是電子。

所以這時候人們已經知道了，當有光照射在某些金屬表面時，金屬表面的電子吸收了光的能量，電子進而變得躁動起來，如果吸收的能量足夠大，電子會脫離原子核的束縛，進而溢出到金屬表面形成電流。我們把這種電子叫做光電子，把這種現象叫做「光電效應」。

光電效應

但是此時的人們只能知道有這種現象，卻不知道為什麼會這樣？按當時的經典理論是沒有辦法來解釋這種現象的。恰好，那時候普朗克提出了量子化的概念，愛因斯坦就立馬運用了量子化的概念去解釋光電效應，認為光是由光子（光量子）組成的，光子的靜止質量為0 ，光子有運動質量，光子從一誕生就是以光速前進著，光子一個一個的打到金屬表面的電子上，電子吸收光子的能量，如果吸收的能量大於原子核的束縛能，那麼電子就脫離原子核的束縛，逃出到金屬的表面。

大家要注意到，愛因斯坦認為光是由光子構成，和之前牛頓的微粒說不同的是，光子並不是牛頓他們認為的實心球 ，它是量子化的，這是一種新的粒子說（光量子假說）。但光電效應不僅證明光具有粒子性，也具有波動性，因為光還具有頻率！

直到現在人們公認的事實：光是一種電磁波，它具有波粒二象性，它有運動質量，速度為299792458m/s！

光的波粒二象性

相關焦點

  • 光的頻率代表了什麼?光強的本質是什麼?如何理解光電效應?
    基於此，人類曾自豪的認為自己已經掌握了光的本質屬性，直到光電效應實現的出現，一切似乎又變得模糊了起來。什麼是光電效應實驗？它又是如何顛覆經典電磁學對於光的認知的呢？我們還是要從麥克斯韋說起，麥克斯韋所提出的麥克斯韋方程組幾乎可以解釋宇宙中任何的電磁現象，然而遺憾的是天不與壽，就在麥克斯韋預言電磁波存在後不久，他便與世長辭了，於是赫茲繼續麥克斯韋的研究，通過實驗證明了電磁波的確實存在，與此同時，赫茲還發現了另外一個現象，那就是光電效應。 那麼什麼是光電效應實驗呢？首先，我們可以放置一塊金屬板，而金屬板上是具有電子的。
  • 光的本質是如何被揭示的?
    光到底是什麼？尋求這個問題的答案，過程漫長而又複雜，正是對光的本質不斷追尋和探討，推動了人類文明尤其是近代物理學的發展。最初對於光本質的認識，主要有兩大學說：微粒說和波動說。而波動說則認為光是一種波，它與聲波有著相似的性質。兩大學說間的爭論，從未休止，直到1905年愛因斯坦由對光電效應的解釋，提出了「光子」的概念。此時的愛因斯坦還是一個一位名不見經傳的瑞士專利局職員。
  • 20世紀最偉大的科學家,聰明的猶太人愛因斯坦,光電效應之父
    愛因斯坦提出的相對論理論以及黑洞的見地是眾所周知的，儘管如此，愛因斯坦在物理領域被授予的諾貝爾獎是著眼於獎勵他對光電效應的發現。 這項革新性的發現推進了我們對於周圍所處世界的認知。那麼，光電效應是怎麼回事？當你想到阿爾伯特愛因斯坦的時候，腦海中浮現出什麼？廣義相對論，黑洞，還是他蓬鬆誇張的髮型？
  • 沈志勳:愛因斯坦之光電效應——一個世紀的認知與創新
    古希臘對於光的本質有過很多很多的猜想。但是光作為一門科學，對光的本質的認識，是大概四五百年以前牛頓在 Gassendi （伽桑狄，法國數學家，1592~1655）的基礎上發展的。他認為光是一種粒子，有折射，有反射，這就是我們大家在中學或者是大學物理裡面能夠學到的所謂牛頓光學或者是幾何光學。
  • 愛因斯坦的光電效應方程
    一、什麼是光電效應？當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象，稱為光電效應。在光電效應中逸出的電子秤為光電子，光電子定向移動形成的電流叫光電流。光電效應存在截止頻率：實驗發現不是任何光照射，都能產生光電流。需要光達到一定的頻率，而與光照的強度無關，即頻率達不到，光再強也沒用。能使電子逸出的最低頻率稱為截止頻率。並且不同金屬的截止頻率不同。存在飽和電流：光照不變，增大電壓，電流增加到一定值後，不再增加，即達到飽和值。
  • 從赫茲到愛因斯坦——光電效應見證著量子力學的發展
    量子力學從誕生至今也不過區區一百多年，但是卻像一頭洪荒猛獸，一舉打破了整個經典物理的認知，成為人類歷史上最偉大的物理理論，人類的科學也因量子力學的發展大幅度進步。，人們聽的最多的可能是狹義相對論與廣義相對論，但是對於光電效應的解釋其實也是愛因斯坦的經典之作，更是讓愛因斯坦因此獲得了諾貝爾物理學獎。
  • 愛因斯坦因為它，獲得人生中唯一諾獎，光電效應究竟是啥？
    還有因為愛因斯坦是猶太人的因素。但是愛因斯坦的聲望與日俱增，若諾獎委員會再不把諾獎頒給愛因斯坦，其權威性將大打折扣。最後，委員會想到一個折中、保險的辦法，就是授予愛因斯坦諾貝爾物理學獎，但隻字不提相對論，而是因為他在1905年提出光量子假說，成功解釋了光電效應。
  • 愛因斯坦，在科研界大放光芒，光電效應就是他提出來的
    1905年，大物理學家愛因斯坦在人類理解量子世界的道路上又向前邁進了一步。他指出，光其實也是一種粒子，叫做光子。我們給大家講過，人類歷史上有兩位最著名的科學家。其中一位是牛頓爵士，另一位就是愛因斯坦。與牛頓爵士類似，愛因斯坦的早年生活也很不順。愛因斯坦出生在德國的一個猶太家庭，他為了不在德國軍隊裡服役，跑到瑞士去考大學。
  • 什麼是光電效應?讓愛因斯坦獲諾貝爾獎的不是相對論而是它
    之後的研究證明，這是因為產生電子流導致的，因此這一現象被稱為「光電效應」。因此，在經典物理學下，光電效應能否發生取決於光的強度；然而，這一理論與當時的一系列實驗結果相悖離。研究表明，同一種物質，有些顏色的光無論光強多少都無法發生光電效應，有些顏色的光即使強度很低也能產生電流，經典物理學隨之陷入危機：一場席捲整個科學界的風暴正在醞釀。風暴中孕育著毀滅，但隨之而來的還有新生。
  • 光電效應本質是能量的交互和轉移,對量子力學影響甚大!
    愛因斯坦光電效應方程根據愛因斯坦的光量子理論，射向金屬表面的光，實質上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射光的頻率過低，即光子流中每個光子能量較小，當他照射到金屬表面時，電子吸收了這一光子，它所增加的ε=hν的能量仍然小於電子脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離開金屬表面，因而不能產生光電效應。
  • 追本溯源:光電效應的認知與創新
    物理學還有一個極限就是把很多東西放在一起所展現出來特殊的效果，這就是集體的效應，超導就是這麼一個現象。物理學還有一個極限是光。大家知道光的速度非常快，光速是速度的上限。人類對光的認知有非常久遠的歷史，光是人類認識世界的最重要的手段之一。從遠古至今，幾乎在所有的文明中大家都在猜測光。古希臘對於光的本質有過很多很多的猜想。
  • 光的前世今生,人類對於光的研究不過萬分之一,光速引擎可能嗎?
    光線維繫著我們對宇宙的感知，有了光線我們才能看到遙遠的星系探尋存在的情景。不過光到底是什麼光的本質一直爭論了幾個世紀。1905年，愛因斯坦提出的光量子理論，並以此解釋了困擾人們多年的光電效應現象，在光電效應裡，光的粒子性得到了驗證方式，光是攜帶能量為E=hv的微粒，和金屬中的電子發生作用，把能量全部轉一個電子，愛因斯坦後來指出，光是波粒二象性，再轉移能量時會表現出了粒子的性質，而且它的傳播過程中體現的是波動性，愛因斯坦光量子理論及其對光電效應的解釋獲得1921年的諾貝爾物理學
  • 愛因斯坦對量子論發展的貢獻之光電效應
    愛因斯坦本人與量子論哥本哈根學派的爭論是20世紀量子力學發展的一個動力，世界究竟是實在論的還是非實在論的，是非超距作用的還是超距作用的，這是他們主要的矛盾癥結。但是值得肯定地是，愛因斯坦對量子論基礎的開拓——光電效應，並因此為他獲得了一枚諾貝爾獎。
  • 光的本質是什麼?是粒子還是波呢?
    光到底是什麼東西，它的本質到底是什麼呢？多年來科學家們都一直在苦苦的追尋，雖然科技發展已經到了今天算是比較先進，但是人們仍然不能給出一個定義，到底光是什麼東西？只能給出一個很無奈的結論，我們不討論它到底是什麼，我們說它有什麼特性，也就是波粒二象性。
  • 量子力學4：愛因斯坦完美解釋光電效應，光具有波粒二象性
    光電效應問題，那年愛因斯坦26歲，正值青春年少精力充沛，年輕人也比較容易接受這些新奇想法。愛因斯坦就寫了篇論文，要想把金屬板上的電子打出來，需要一個最小的能量值，這個能量值叫做逸出功，也就是說光一個粒兒一個粒兒的打過來，每一粒光子攜帶的能量要大於電子的逸出功，電子才能逸出，也就是光的頻率大於某一個值的時候，電子才會被打出來，剛好這個頻率的值落在了紫色的光範圍內，這就是為什麼赫茲做實驗的時候只有紫顏色的光和紫光頻率以上的電磁波才能把電子打出來的原因
  • 光電效應提出者:愛因斯坦|科學上的發現只屬於敢於打破常見的人
    在這之後，直到1904年這段時間裡，他對物理學上的兩大疑難問題都進行了深入的思考。到了1905年，愛因斯坦就像是蓄積了巨大能量的火山一樣，一瞬間爆發了。他在半年多的時間裡，在三個領域作出了有劃時代意義的貢獻：完成了有關解釋光電效應的論文，提出光子說；對於布朗運動的全新闡釋，間接地證明了分子的存在；完成了題為《論運動媒質的電動力學》的論文，提出了狹義相對論。
  • 教師招聘-光電效應講解解析
    前言：從最開始牛頓認為光是一種微粒，再到胡克惠更斯認為光是一種波動，再到託馬斯楊和菲涅爾證實了光的波動說，以及麥克斯韋提出的電磁學理論，科學家認為人類已經掌握了光的本性，那就是一種電磁波。但到20世紀人們發現了一些新的現象，這些無法用波動說解釋，於是人們又提出了波粒二象性的學說，波粒二象性是怎麼提出來的呢?康普頓效應和光電效應。
  • 光電效應有哪些規律_光電效應有哪幾種
    光電效應簡介 　　光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象。在高於某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流，即光生電。光電現象由德國物理學家赫茲於1887年發現，而正確的解釋為愛因斯坦所提出。
  • 光究竟是什麼?關於光本質的百年探索史
    ，光的本質問題當然曾經在數百年裡難倒了世界上最偉大的一些物理學家，但在過去的150年間，科學界在對光的本質研究方面取得了一系列的突破性進展，向世人揭示了光的神秘本質。愛因斯坦同樣是受到了麥克斯韋的啟發，他曾表示，麥克斯韋永遠地改變了這個世界。拋開他其他方面的成就不談，麥克斯韋的計算幫助揭示了光的本質。麥克斯韋的工作首次從理論上證明了，電和磁場的運動都具有波的性質，並且這種波的運動速度基本上是光速。通過這一結論，麥克斯韋進一步推斷光本身可能也正是由電磁波所攜帶的——這就意味著光是一種電磁輻射。
  • 光的本質之光到底是什麼?
    光可以說是所有基本粒子中最具特色，最神奇的一種。沒有光，我們眼中的世界就會漆黑一片，整個宇宙的物質構架都會崩塌。光是什麼，是人類一直追尋的謎題之一。牛頓發現了光等等色散現象，如果用一個稜鏡對光進行分解，我們就可以神奇地得到彩虹!這人牛頓覺得光就像不同的顏色顆粒一樣，混合在一起就是白光，通過稜鏡之後就可以再次分解為不同顏色的微粒，從而呈現出橙紅綠青藍紫等彩虹顏色。牛頓的這種微粒說，還可以很好地解釋光的發射、折射等現象。鑑於牛頓巨大的影響力，幾乎當時所有的科學家們都接受了光的微粒說。