物理群星
1905 量子力学

光电效应与光量子

Photoelectric Effect & Light Quanta

光不是连续的波,而是一份一份的能量包——「光子」概念的诞生,为量子力学劈开了第一道门缝。

当时的困境

1887 年,赫兹在做证实电磁波存在的实验时注意到一个副效应:接收回路的火花间隙如果被紫外光照到,放电会更容易发生。他把这个现象记了下来就转向别处了。

这里有一个后世看来极为讽刺的巧合——用实验证明了光是电磁波的人,顺手发现了将要证明光是粒子的效应。

此后二十年,实验细节逐渐清楚,而且越清楚越讲不通。按照波动理论,光是连续的能量流,照得越强、照得越久,金属里的电子积攒的能量就该越多,最终被打出来时速度也该越快。实际情况是:

  • 电子的最大动能只取决于光的频率,与光的强度完全无关。加大强度只是打出更多电子,每个电子的能量一点没变。
  • 每种金属有一个截止频率。低于它,再强的光照多久都打不出一个电子;高于它,再微弱的光也立刻有电子出来。
  • 从光照到电子射出几乎没有延迟。而按波动理论的能量累积估算,微弱光下电子要攒够能量得等上几分钟甚至几小时。

三条里没有一条能用波动理论解释。

洞见时刻

1900 年,普朗克为了拟合黑体辐射谱,被迫假设振子只能按 hνh\nu 的整数倍吸收和发射能量。他本人把这当作一个”形式上的假定”,一种为了凑出公式的绝望之举,此后多年一直试图把量子从理论里去掉。

1905 年 3 月,爱因斯坦走出了那一步:

能量的分立不是计算技巧,而是光本身的性质。

光在空间中传播时就由一颗颗定域的能量子构成,每颗能量 E=hνE = h\nu(“光子”这个名字要到 1926 年才出现)。电子一次只能吸收一颗光子,吸收就是全部吸收。

三条反常立刻各就各位:

  • 一颗光子的能量由频率决定,所以电子动能只跟频率有关。
  • 打出电子需要克服金属的逸出功 WW;若 hν<Wh\nu < W,单颗光子的能量根本不够,来多少颗都没用——这就是截止频率。
  • 光强只决定光子的数量,不决定每颗的能量。
  • 不存在能量累积的过程,所以没有延迟。

爱因斯坦还给出了一个可检验的定量预言:最大动能 Emax⁡=hν−WE_{\max} = h\nu - W。这是一条直线,斜率就是普朗克常数,而且对所有金属都一样。

论文标题里那个”启发性观点”是他自己加的保留。这个假说当时几乎没有支持者——1913 年普朗克等人推荐爱因斯坦进普鲁士科学院,推荐信里特意替他开脱,说他在光量子问题上”或许失了准头”,不该因此妨碍他当选。

涟漪效应

密立根不相信光量子。他花了十年时间做精密实验,本意是推翻那条直线。1916 年他发表结果:直线是对的,斜率给出的 hh 与普朗克从黑体辐射得到的值一致到百分之零点五。他在论文里承认公式成立,同时仍然拒绝接受背后的物理图像。1921 年爱因斯坦因这项工作获诺贝尔物理学奖,1923 年密立根也因这项验证获奖。

这一条线索接着往下长。1923 年康普顿观测到 X 射线被电子散射时波长变长,散射角与波长变化的关系正是两个粒子碰撞的结果——光子有动量,怀疑基本消失。

反方向的影响更深远:如果一直被当作波的光其实也是粒子,那么一直被当作粒子的电子会不会也是波?德布罗意 1924 年提出这个对称的问题,薛定谔 1926 年把它写成方程。

爱因斯坦本人 1917 年沿这条线推导辐射与物质的平衡时,引入了”受激辐射”这个此前没人想到的过程——那是激光的理论蓝图,只是要再等四十年才有人做出来。

如果没有它

你口袋里就装着一打光电效应装置。

成像:手机与相机的 CMOS 感光元件,每个像素都在数落到它上面的光子;天文台的 CCD 同理,只是冷却到零下一百度以压低噪声。

发电:太阳能电池把光子直接变成电流。为什么硅电池对红外线几乎不响应?因为那些光子的能量低于硅的带隙——就是截止频率换了个说法。

日常:商场的自动门、光电烟雾报警器、电梯门的防夹光幕、光纤通信的接收端,都是同一个原理。

测量:光电倍增管把单个光子变成可测的电流脉冲,中微子探测器、正电子发射断层扫描(PET)都靠它。

那篇让爱因斯坦拿到诺贝尔奖、当年被同行认为”走得太远”的论文,如今每天都在为地球发电、拍照和开门。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.爱因斯坦《论光的产生与转化的一个启发性观点》,《物理学年鉴》第 322 卷第 132 页(1905)
  2. 2.普朗克《论正常光谱中的能量分布定律》,《物理学年鉴》第 4 卷第 553 页(1901)
  3. 3.赫兹《论紫外光对放电的影响》,《物理学年鉴》第 267 卷第 983 页(1887)
  4. 4.密立根《普朗克常数 h 的直接光电测定》,《物理评论》第 7 卷第 355 页(1916)