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?

在經典電磁學之中，光被認為是一種電磁波。

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。

當我們用光去照射金屬板的時候，金屬板上的電子就會被光撞飛出來，這就是光電效應實驗。

這樣一個簡單的實驗是如何顛覆經典電磁學對於光的認知的呢？對於光，存在著兩個主要的參數，一個是頻率，另一個則是光強，所謂光強，我們可以簡單地理解為光的亮度，亮度越高的光則光強就越大。在經典電磁學之中，認為光的能量是由光強所決定的，也就是越亮的光，它的能量也就越大，其實很多人現在也是這樣認為的。

但光電效應實驗所觀測到的現象與經典電磁學理論格格不入，在光電效益實驗中，人們觀測到從金屬板上被光撞出的電子的動能與光的頻率有關，頻率越大則電子的動能就越大，而與光強毫無關係。如果頻率不夠，即使光強再大，電子也不會被撞出來。

此外，經典電磁學認為能量是可以積累的。

也就是說即使光的能量不足以將金屬板上的電子撞出，但只要多照一會，讓能量積累一會，就可以將電子撞出，但事實是，無論光的亮度多高，照射時間多長，只要頻率不足，電子就不會飛出來。顯然，光電效應實驗所表現出來的現象與經典電磁學存在著極大的矛盾。怎麼辦？

當時，諸葛大力的偶像普朗克提出了這樣一個理論，那就是振動帶電粒子的能量是量子化的，翻譯成白話，就是說振動帶電粒子的能量是一份一份的，而不是連續的。愛因斯坦從普朗克的理論中受到了啟發，提出了這樣的一個理論，那就是光的能量也是量子化的，也是一份一份的，而每一份能量就是一個光子。

既然一份光的能量就是一個光子，那麼一個光子到底有多大的能量呢？單個光子的能量就等於光的頻率乘以普朗克常數，這個公式一給出，就闡明了光的能量只與頻率有關。

既然光的能量只與頻率有關，那麼光強，或者說光的亮度又代表了什麼呢？愛因斯坦認為，光強的本質其實就是光子的個數，也就是說光子的數量越多，那麼光看起來就越亮，但這與光子的能量毫無關係。即使是再亮的光，光子的密度其實也是很低的，所以兩個光子同時撞上一個電子的機率趨近於零，因此無論光強有多大，光有多亮，只要頻率不夠，也就是單個光子的能量不夠，那麼就不可能將電子從金屬板上撞飛。這就是為什麼被撞電子的動能只和頻率有關，而與光強無關的原因。

為什麼光的頻率只有達到一定的水平才能夠將電子從金屬板上撞出去呢？

這是因為金屬板上存在著正電荷和電子，當電子被撞出去之後，金屬板便會帶正電，於是它又有了一個對電子的吸引力，因此，要把電子從金屬板上撞出來，就必須要克服金屬板對電子的吸引力，也就是要對其做功，這個功在物理學上就被稱之為逸出功，因此，要讓金屬板上的電子飛出來，光子所具有的能量就要大於這個逸出功，如果小於這個逸出功，那麼金屬板上的電子就無法被撞出。

而光子的能量等於頻率乘以普朗克常數，所以光子要想具備將電子撞出去的能量，就必須要達到一定的頻率。當然，有一種情況例外，那就是雷射，由於雷射是一種光強很高的光，也就是光子密度很高的光，所以用雷射照射金屬板可能會出現兩個光子同時撞擊一個電子的情況，所以即使單個光子能量不足以將電子撞出，那麼兩個光子的能量累加之後就可以辦到了。