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20世纪最伟大的科学家,聪明的犹太人爱因斯坦,光电效应之父

时间:2019-08-05
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  爱因斯坦提出的相对论理论以及黑洞的见地是众所周知的,尽管如此,爱因斯坦在物理领域被授予的诺贝尔奖是着眼于奖励他对光电效应的发现。 这项革新性的发现推进了我们对于周围所处世界的认知。那么,光电效应是怎么回事?

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  当你想到阿尔伯特爱因斯坦的时候,脑海中浮现出什么?广义相对论,黑洞,还是他蓬松夸张的发型?毋庸多言,他一生的时间在这些领域都做出了杰出贡献,但是也许在阿尔伯特爱因斯坦所处的时代,他被大家接纳认可的工作是他对光电效应的发现。事实上,当他被授予

  1921年的诺贝尔学物理奖的荣誉之时,颁奖词中这样写道,“为了纪念他对理论物理做出的贡献,尤其是他对于光电效应法则的发现。”

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  这项足以问鼎诺贝尔奖的发现,其重要性在于,爱因斯坦首次将光阐释成为波与粒子的结合体。 这个现象,被称为波粒二象性,构成了量子力学理论的基石并且促进了电子显微镜和太阳能电池的研究与发现。

  光电效应是怎么回事儿?

  当负载着临界值以上能量的光子轰击金属表面时,原先被金属原子核束缚的电子被轰击松动。每个光粒子,也称为光子,与某一个电子碰撞而且电子利用光子携带的能量离开金属原子实的束缚,光子剩余能量转移到这个不被束缚的带有负电的电子上,形成一个光电子。

  这个现象为什么会发生?是什么决定了发射的电子流的能量(也就是速度)?为了了解这些问题的答案,我们有必要深入探寻一下光电效应研究与发现的历史。

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  一个神秘的结果

  在19世纪晚期,实验物理学家们面临这一个巨大的任务。在1865年,数学物理学家詹姆斯克拉克麦克斯韦的发表了他的电磁学理论,提出电场与磁场以波的形式以光速在空间中传播。实验物理学家们开始着手探索可观察的证据,至少在数学理论层面,去验证麦克斯韦理论中提及的光的性质。

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  1887年迎来了成功。海因里希赫兹首先在实验中产生并且观测到了麦克斯韦尔预言的电磁辐射。赫兹在实验中,在两块黄铜电极之间用导电线圈产生很高的电极差,击穿空气放电产生火花,在50英尺(约15.24米)之外的由黄铜球与铜导线构成的接收器处也产生了火花。

  接收器产生的二次火花非常微弱,因此,赫兹决定尝试在黑箱中放置接收器来更好的观测。出乎意料的是,他发现在封闭空间中接收器产生的火花反而变弱了,并且仅限于特定材料制造的黑箱中会有这种现象。经过数月的实验,赫兹实验中得出结论为,用超紫外线(频率非常高,超出可见光光波波段)能够放大接收器处产生的火花。

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  然而,在赫兹的探索结束的时候,他始终未能解释为什么会有这样的现象产生,他写道“局限于目前的认知,我仅仅能用我得到的实验结果与大家交流,但是并没有成功尝试用任何理论来解释我的实验中所观察到的现象”。

  此后,几个发现打开了物理学家们探索答案的道路。首先是约瑟夫汤姆孙对于阴极射线中带负电的微粒为电子的鉴定,其后是菲利普莱纳德发现,他发现提高入射光的光子数目对于溢出阴极电子流的强度没有影响。用双倍的光子数光线照射会得到双倍的溢出电子,但是对于光子数目对于溢出电子所携带能量没有影响。

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  莱纳德的发现与我们对光是一种波的认知有矛盾。作为一种波,更加明亮的光波被期待能够更强烈地振动电子,因此能够得到更多而且更快速的溢出电子。然而,莱纳德的发现中,存在着入射光的最低阈值,低于这个数值的入射光不会激发溢出光电子流。

  最低阈值的存在与光作为一种波的理论也有矛盾之处。随着我们对于光电效应现象细节的理解加深,对于这种观测现象与理论之间矛盾的阐释理论仍然乏善可陈。

  光的波粒二象性

  在1905年,爱因斯坦之处,所有的现象都可以通过光的波粒二象性来解释,亦即把光看成为一束粒子流(或光子流)而非光波。这些光子所携带的能量可以被记为一个常数与频率的乘积。换句话说,每个光子的能量与其频率成比例。

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  在金属板照射实验中,每个光子被想象成一个粒子,可以轰击一个电子并且使电子从金属的束缚中逃逸。有一些能量在这个过程中损失,因此溢出的电子携带净能量永远小于入射光子携带的能量。因此,产生的光电子流的能量会与入射光的频率有关,但是与入射光的密度无关。但是,入射光的密度(轰击金属板的光子个数)仅仅影响产生的光电子流的个数。

  爱因斯坦的理论同时也揭示了莱纳德的最低能量阈值现象:如果入射光的能量小(入射光的频率较低),小于产生逃逸光电子的最低数值,那么电子将会不溢出。

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  美国实验物理学界罗伯特密立根没有做好接受爱因斯坦理论的准备,他着手去寻找反对爱因斯坦理论的实验数据。他花费了十年时间去证否,但是却在实验过程中反复验证了光电效应理论的正确性。密立根是幸运的,他也凭借实验物理的数据获得了诺贝尔物理学奖。

  若没有光电效应的发现我们现在的世界会是什么样子?

  光电效应理论在光伏电池以及太阳能电池两个领域有着直接的应用,这两种电能是直接由入射光子产生的。更为重要的是,光电效应带动了量子力学的演进,实验物理学家开始思考光的本质以及原子的结构,对我们周围的世界有了一种全新的解释。

  爱因斯坦的光电效应的理论对于大家的最大启示也许是提醒我们要跳出原有框架思考。如果原有理论不奏效,有时候我们需要创建新的理论。爱因斯坦自己说,“我们不能够用同样的思考方法去提出和解决同一个问题。”

  参考资料

  1.WJ百科全书

  2.天文学名词

  3. Sabrina Stierwalt- quickanddirtytips- ajisai

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