量子力學（三）光電效應：這18年間，唯一一位認真對待光量子的人

物理學家普朗克曾經說過：「新科學事實之所以被人接受，並不是因為反對者都被說服了，而是因為反對者最終都死了……。」

聽到這句話，我們都覺得普朗克是個非常敢於接受新思想的人，但是他並沒有。

為了解決黑體輻射的問題，他自已曾提出黑體輻射能量是「一份一份」的假設，但他本人並不敢相信這是真的。人們對於他的這個假設，也只是停留在數學的意義上，而不是一個物理思想。（這是關於黑體輻射的問題：）

通過他的這個假設，愛因斯坦得到了靈感，大膽提出了要解決光電效應的問題，光也必須是「一粒一粒」的。這時普朗克還是一臉困惑，他認為愛因斯坦這「玩笑「」開大了。

愛因斯坦與普朗克

什麼是光電效應？簡單說，就是光照射在金屬上時，能激發出電子的現象。這個現象是赫茲在1887年發現的。

當光照射在金屬上時會激發出一個個的電子，但是並不是所有的光都能從金屬中打出電子。在實驗中，物理學家們發現，不同顏色的光，有些可以打出電子，有些卻不能。比如可見光中的紅光就不能從金屬打出電子，但是藍光或是不可見光中的紫外線就可以。

不管用多強的紅光對著金屬照射多久都激發不出電子，而紫外線一照射，電子馬上就被激發出來了。這就奇怪了！

經典物理中的麥克斯韋電磁理論讓大家堅信，光是一種電磁波，它發出的能量是連續的。按照電磁理論，電子能否被激發出來與光的強度有關，而光的強度可以用持續照射金屬就可以積累越來越多的能量，那為什麼可見光不論照射多久，電子就是不能被打出來呢？反而，類似紫外線這種光，哪怕是多微弱，只要照射在金屬上就能激發出電子。

這個光電效應現象，用經典物理理論沒法解釋。

愛因斯坦曾經以光速不變為假設，開創出了狹義相對論。如今，他又來一次思想大開掛，他提出如果把光的能量看成是一份一份的，就能說明光電效應的問題。

於是在1905年，他發表了一篇論文《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》，論文清楚的闡述了他的看法：光是一個個的「波包」，這個「波包"的最小能量就是E=hν，h是普朗克常數，ν是光的頻率。頻率越大能量就越大。

當光照射到金屬表面上時，電子吸收的是一份份的光量子，金屬所受到打擊主要取決於單個光子的能量而不是光的強度。所以電子能否被激發出來的，只與光的頻率有關，而與光的強度沒關，光的強度只是光子流的密度而已。

因為高頻率的光一份的能量足夠大，所以才能打出光子來。這就像，我們用玩具槍射擊一面磚牆，不管你掃射多久，牆都不會被打塌，而用一個衝擊力很強的炮彈，一炮就能轟開它。

愛因斯坦這個光量子的說法，一直到1926年，美國物理學家劉易斯才把它換成了今天我們常用的名詞——「光子」。

愛因斯坦的這篇關於光的性質的論文最後獲得了1922年的諾貝爾物理學獎，也是愛因斯坦終生唯一的一個諾獎。

要知道，當年也就是1905年，愛因斯坦一共發表了6篇論文，其中有關狹義相對論的，有實錘證明原子存在關於分子熱運動的，還有關於質能守恆定律的......從現在來看，篇篇都能達到拿諾獎的級別。可是因為當時科學家們還對相對論存在疑惑而沒有給獎，另外是諾貝爾獎委會規定，一個人在同一個領域只能領一次諾獎。所以愛因斯坦就只能拿這個關於光的諾獎啦。

1905年的愛因斯坦

愛因斯坦的光量子理論，他不僅預言了光的粒子性質。1909年，他還提出光子應該具有動量。在後來的論文中，他給出的光子的動量公式為：p=h/λ；式中p為每個光子的動量，λ為光的波長。

他把狹義相對論中的質能方程用在光子身上，得到光子動能為E=mc^2。而在他的光量子理論中光子動能為：E=hν=hc/λ。二者聯立起來，就得到p=mc=h/λ。式中，c為光速，它既是光子運動的速度，也是電磁波傳播速度。

對公式過敏的同學，可以直接理解下面這段文字：

愛因斯坦通過這幾個公式把粒子和波統一了起來：粒子的能量和動量是通過波的頻率和波長來計算的，也就是說，愛因斯坦把光同時賦予了粒子和波的屬性。於是他斷言：光具有波粒二象性！

這個波粒二象性的發現，不僅結束了持續300多年來的爭端，也揭開了量子世界詭異之迷，波粒二象性其實就是量子世界裡那個逼瘋了很多包括愛因斯坦等科學家詭異的「妖精」。（這場跨越幾個世紀的爭端請看：）

普朗克把黑體輻射出來的能量假設成一份一份的，愛因斯坦則把入射到物體的光的能量假設成一份份的，雖然兩個有所不同，但他們提出了一個全新的概念，即能量量子化的概念，從此21世紀的物理學，就開創了一場轟轟烈烈的量子力學的革命。

普朗克和愛因斯坦這種開創性的見解和思想，現在我們看來似乎是自然而然，顯而易見的。其實並非那麼容易。

愛因斯坦關於光量子的理論出來後，開始並沒有得到科學界的承認，很多物理學家都認為這種假設是「完全站不住腳的」，連普朗克自已都不敢相信。經典物理中的電磁理論關於光是一種波的觀念已根植在人們的大腦之中，這時突然又說光是粒子的說法，這不是開玩笑嗎？

密立根為了證實愛因斯坦的光量子理論是錯誤的，他在反覆多次做實驗之後，於1951年反而證實愛因斯坦的光量子理論是正確的。

甚至在1922年愛因斯坦因光電效應獲得諾貝爾獎時，獎委會在頒獎時都儘量避免承認光子的粒子性，而僅在描述發射和吸收過程時提到光量子這個詞。他們認為，愛因斯坦光電效應理論，最重要的應用和證明來自於，玻爾用在原子結構模型中，從而解釋了光譜線的問題。

直到1923年，也就是愛因斯坦光電效應理論提出來18年後。康普頓在實驗中觀察到，一部分x射線被散射後會偏離原來的方向，並且波長變長了。

康普頓

這種現也沒法用經典物理理論解釋。康普頓提出的解釋是，這個散射過程可以看作是兩個粒子的碰撞，一個是自由電子，一個就是光子。那一部分波長變長的射線是因為光子和電子碰撞引起的。

光子不僅帶有能量，還具有動量，當它和電子相撞時，把自已的一部分能量轉移給了電子。這樣一來，光子的能量就會下降，根據公式：E=hν，能量E下降了，頻率ν也下降了，頻率與波長成反比，所以波長變大了。這個就是著名的康普頓效應。

上帝創造了光，愛因斯坦指出什麼是光的性質，而康普頓則是第一個真正意義上「看到」了光的人。至此，人們才真正的承認了愛因斯坦的光量子理論。

愛因斯坦的傳記作者曾寫道：「從1905年到1923年，愛因斯坦是唯一的一位，或都說幾乎是唯一的一位，認真對待光量子的人。」

玻爾是如何利用普朗克和愛因斯坦能量量子化理論建立他的原子模型的？我們下次再聊~請關注。