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爱因斯坦对于光电效应的解释

爱因斯坦在思想方法上没有任何保守性，他很少顾及权威和因袭的教条，因而进一步发展了普朗克的思想，迈出了勇敢的第一步.他认识到，正确运用普朗克假设之后，光的学说便焕然一新：虽然光是在空间连续传播的一种波动现象，但光仅能集中于特定地点，产生物理作用.因此，光具有不连续的颗粒特性，它可以是一束光量子，即“光子”.

１９０５年，爱因斯坦的第一篇著作《有关光的产生和转化的一个试探性观点》问世了.他在论文中写道：“在我看来，如果假定光的能量不连续地分布于空间的话，那么，我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其它涉及光的发射与转换的现象的各种观测结果.根据这种假设，从一点发出的光线传播时，在不断扩大的空间范围内能量不是连续分布的，而是一个数目有限地局限于空间中的能量量子所组成，它们在运动中并不瓦解，并且只能整个地被吸收或发射.”“根据这里的假设，当一束光从点光源发出时，它的能量不是随着体积增大而连续分布，而是包含一定数量的能量量子，这些能量量子在空间上局域，不随运动而分裂，并只能作为一个整体被吸收和发射.”然而，令人不可思议的是，人们至今仍未能理解量子理论的含义，并一直为此争论不休，一些科学家甚至认为这个理论根本没有意义.

在光的新理论中，爱因斯坦以普朗克１９００年提出的假设为基础，认为在热辐射过程中能量的放出和吸收都是以不连续方式进行；能量的最小数值叫量子，它的数值取决于基本作用量h——“普朗克常数”.每次放出和吸收的辐射能都是这个数值的整数倍.普朗克的这一发现与当时普遍认为正确的光的波动理论是不相容的.光的波动学说认为光是以波动状态连续传播的.１９世纪初，这一学说战胜了牛顿的微粒说.后来，麦克斯韦和赫兹还在实验和理论上证实了这个学说.

爱因斯坦用下面的比喻解释过光子假说和普朗克理论的相互关系：“如果啤酒总是装在可容一品脱的瓶子里出售，由此完全得不出啤酒是由等于一品脱的不可分割的部分所组成的结论.”为了检验小桶里的啤酒是否由不可再分割的部分所组成，我们可以把小桶里的啤酒分别倒进一定数量的容器中，比方说十个容器中.我们用完全任意的方式将啤酒分份，听任偶然去确定每一个容器中倒进多少.我们测量一下在每一个容器中啤酒有多少，然后再把啤酒倒回小桶里.我们多次重复这种操作.如果啤酒不是由不可分割的部分所组成的，那么在每个容器中啤酒的平均分量和所有这些容器的平均分量将是同样的.如果啤酒是由不可分割的部分组成的，那么在各容器之间就会出现不同的啤酒的平均分量.设想一种极端的情况，小桶里只能容纳一份不可分割的啤酒.这时，整个一份啤酒每一次只能倒进一个容器，在这些容器里面所装的东西之间的区别就十分巨大了：一个容器中装了小桶里所有的啤酒，剩下的容器将空无一物.如果小桶是由两份、三份……这种不可再分割的份额组成的，那么偏离平均分量将越来越小.因此，按照偏离平均分量的大小，即按照起伏的大小，可以判断啤酒的不可分割的份额的大小.我们转回来研究光波.让光波占满一个被限定的“桶”壁——由许多单个胞格所组成的某个空间容积.是否可以把这些波的能量分为随便多大数量的部分，或许我们将碰到不可进一步分割的“份额”？并且，如果辐射的电磁场是间断的，那么它的最小“份额”的大小又是怎样的呢？测量一下胞格中能量的分量对于平均分量的偏离——这个分量在由一个胞格转到另一个胞格时的变化，就可以解答这些问题.如果最小“份额”大，那么这种变化就大；如果“份额”小，那么变化也小.爱因斯坦的光量子学说，以最简炼的方式阐明了“光电效应”，这种效应的基础是光与电子之间进行能量交换.这样便解释了光束打到金属上时，能把电子从其表面拉出来.这些电子在脱离金属表面之后的动能，与光源的强度无关，而完全取决于其颜色，在紫外光的情况下，电子的动能最大.１８８６年赫兹发现了这个现象，尽管许多物理学家对此作过进一步的深入研究，但是运用光的波动学说无论如何也解释不清.然而，借助爱因斯坦的光量子理论却可以把光电效应阐述得清楚.紫外光是由能量高的光子、亦即冲击力大的光粒子构成，而红光是由能量较低的光量子构成，所以紫外光打出的电子比红光打出的电子的动能要大.１０年之后美国实验物理学家密立根的研究证明，爱因斯坦对于光电效应的解释是正确的.

爱因斯坦关于光的新理论，究竟超过他同时代自然科学家的思想境界有多远，这从１９１３年柏林第一流的物理学家们的评论中可以一目了然.当爱因斯坦被任命为柏林科学院院士时，他们在赞扬了他在科学上的多方面成就后，要大家特别重视他的光量子假说：“他在探索过程中，往往会超出预想目标，比如在光量子假说方面就是这样，因而对他作出评价不会太困难；在精密自然科学中，一次冒险也不作，便不会有真正的创新.”光量子假说在学术上具有划时代的意义，是整个原子物理学进一步发展的基础.不论是１９１３年玻尔提出的赫赫有名的原子模型，还是２０年代初期法国物理学家德布洛伊天才的假说“物质波”，没有光量子假说都是难于设想的.

这样在爱因斯坦的观念中，一束频率为υ的光便是一束单个粒子能量为hυ光子流，在光与物质相互作用时，就是这些光子与物质微粒之间的事情了.利用光子概念和能量守恒定律，对于外光电效应可以写出下列方程式，hυ=mv²/2+E，这个方程被称为爱因斯坦方程.就是这方程，成功地解释了外光电效应的实验规律，使外光电效应的机理变得简单面清晰.式中E为金属逸出功或功函数.金属中的自由电子在金属内部可以自由游荡，但它们并不能随意地越过金属表面，因为表面附近的金属正离子要拽住它们，不让它们外逃，好似有一堵墙阻挡着.我们可以用能的“势阱”来表示金属表面对电子的这种约束作用.不同金属的逸出功不相同，红限频率也不相同.金属中的电子如果不能从获得等于或大于E的能量，它就无法外逃.这也就是外光电效应存在的红限频率的小能包，当它与电子碰撞并为电子所吸收时，电子获得光子的能量，一部分用于克服金属的束缚，也就是逸出功.余下的便成为外逸光电子的动能了.既然光子的能量是一份份的，电子吸收光子的能量也就是一份份的了.

密立根是这样评价光电效应的：“它把普朗克通过研究黑体辐射而发现的量h物质化了，并且使我们完全相信，普朗克的著作所依据的主要物理概念是同现实相符的.^【1】1914年，密立根用实验完全确认了爱因斯坦的光量子理论.

爱因斯坦关于光的新理论，在哲学上从两个方面说来是重要的：其一，证明了普朗克在热辐问题上发现的量子现象并非是辐射现象所特有，而在一般物理过程中都有表现.这样，由于普朗克的发现而动摇了的旧的形而上学观念，即大自然不作飞跃的观点彻底垮台了.其二，爱因斯坦的研究结果，揭示了光的两重性.原来光既是微粒，又是波动.于是，光的辩证矛盾得以证实.爱因斯坦的发现使惠更斯和牛顿彼此对立的光学理论统一起来，在更高一级上成为天才的假说.

参考文献

【1】（美）R•埃斯伯格，R•瑞斯尼克.量子物理学.吴伯泽，暴永宁，黄惠英译.北京工业学院出版社1985.