科学小史——光电效应的探究和实证
尤里卡之光2020-06-10 14:30
1887年的一天，德国卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里，摆弄着实验装置的青年教师赫兹，终于发现了接收器两端隙之间的微弱“电火花”，这个期待已久的“电火花”成为了麦克斯韦理论的完美注脚，从此，电磁理论这个由法拉第奠基、麦克斯韦构造、赫兹封顶的大厦终于得以屹立在物理世界版图之上，成为与牛顿力学相媲美的经典理论之一。
赫兹在检验电磁波实验中，还进行了有关电磁波的波速、波长、反射等一系列研究，最后得出光就是电磁波的结论，光的波动说顿时农奴翻身把歌唱，而往日被簇拥的微粒说只能独处角落空寂寥。
科学探究这部戏永远没有剧终，只要愿意等总会有意料之外的精彩，科学思维编剧于幕后，科学观点显隐于台前，你放唱罢我登场新旧交织，当剧情需要时，还会来个必要的返场。就像这位给微粒说致命一击的赫兹，同时也带来了微粒说绝处逢生的机会。
一切缘起于赫兹在实验过程中发现的一个令人困惑的现象，也正是这个现象揭开了后来有关光粒子本质的另一段波澜曲折的科学探究史。
光电现象的端倪——赫兹实验的新发现
赫兹在检验电磁波的实验中，用紫外光照射接收器，发现接收器端隙的电火花变得更亮了。1887年5月低，赫兹写成研究论文《论紫外线对放电的影响》为了弄清光是如何使电火花增强，他分别用铜、黄铜、铝、铁、锡等不同金属材料作为电极片进行实验，又使用不同光源如火光、阳光、电弧光等进行实验，他还在光源和火花间隙之间放置各种气体、液体和固体进行实验。根据这些实验的结果，他推断使火花明显增强的有效辐射有一个接近可见光谱的极限。为此他又用石英棱镜色散不同光源进行实验，结果发现使火花增强的辐射的确都是紫外光。《论紫外线对放电的影响》成为科学史上第一篇研究光电效应的文章。
赫兹的结论：高频率的紫外光可以使电火花增强。
霍尔瓦克斯的光电效应研究
1888年，赫兹年轻的助手威廉·霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）在赫兹的研究基础上证实，电火花增强的原因是由于放电间隙内出现了电荷体，进一步实验发现，若用紫外线照射金属板时，从金属板向外产生带负电的粒子流。霍尔瓦克斯的工作使人们从“电火花”这个表象转移到了光使金属电性发生变化的过程探究，提出的电荷转移理论给后面的研究者开启了新的思路，最初的光电效应因此也称为“霍尔瓦克斯效应”。
此时光电现象的研究只能定性于此，更深层次的研究还得有赖于人们对电的微观本质的发现。
阴极射线解密“电究竟是什么”
当装有2个电极的玻璃管被抽成真空，这时在两电极间加上几千伏的高压，在阴极对面的玻璃壁上闪烁着绿色的辉光，似乎从阴极发射出一种看不见的射线，这个射线是粒子流还是电磁波？这引起了科学家们的关注。其中也包含赫兹。1892年赫兹和他的另一个助手勒纳德开展了阴极射线的研究，但是由于真空度不够，像很多同行一样并未能检测到阴极射线的电磁偏转现象。于是赫兹就简单的认为阴极射线是一种特殊的电磁波。然而种种迹象表面，真相并没有赫兹想象的这么简单，两年后，赫兹英年早逝，勒纳德继续进行阴极射线的研究，提出了阴极射线是带负电的粒子流的结论，最终1897年J.J.汤姆孙测量出负电粒子的荷质比，成为发现电子第一人。从此人类的科学视野深入到了原子这个微观领域。
电子的发现成为开启近代原子物理研究的标志，同时也为光电效应研究扫清了障碍。
埃尔斯特和盖特尔的光电效应研究
埃尔斯特和盖特尔最早发现不同金属发生光电效应所需的光波长不同，对于碱金属钠、钾、铷等用可见光就会产生光电效应，当电子被J.J.汤姆孙发现之后，埃尔斯特还发现光电效应中产生的带负电的质点的荷质比与电子的荷质比相同，从而证实光电效应中产生的带负电的质点就是电子，称为光电子。
勒纳德的光电效应研究
勒纳德在阴极射线的谜题解开之后，又回到了光电效应的问题上来，为了加速电子的速度和测量他们的能量，勒纳德的发明了一种光电管，从而进行定量研究。1902年他发表论文介绍了他的研究成果，勒纳德得出，发射的电子数正比于入射光所带能量。电子的速度和动能与发射的电子数目完全无关，而只与光波长有关，波长减少动能增加。每一种金属对应一特定频率，当入射光小于这一频率时，不发生光电效应。
勒纳德对光电效应的规律认识得很清楚，在解释上却犯了难，因为根据经典电磁理论，光波也就是电磁波的能量是由振幅（电磁场强度）决定和频率无关，在光电效应里怎么就光频率成为光电子能否产生的决定条件了？另外随着时间的积累金属板应该接收到更多的辐射能，而光电效应怎么就和光照时间无关，极短时间内就发出光电子？
为了解释这些现象，勒纳德说到：“逸出的能量并不完全来自紫外线，而是来自特定原子的内部，紫外线只起激发作用，很象引信点燃装了子弹的枪一样。我发现这个结论很重要，因为由此我们可以懂得，不仅镭原子包含有储存的能量，其他元素的原子也储存着能量，他们也能发出辐射，而且当发出辐射时原子可能完全碎裂。”（原子碎裂---勒纳德先生你确定这不是碰瓷吗?）
勒纳德的观点被称为“触发说”，频率决定光电子能否出射，被他解释为光波与电子的共振导致；电磁波的能量是可以累加的，勒纳德另辟蹊径：其实光电子能量来源于原子内部，电磁波只是起到激发作用。
触发说成为经典理论下光电效应的一种解释，在当时科学界影响很大，直到1905年勒纳德获得诺贝尔物理学奖，风光无二，然而也就在这一年，一位名不见经传的专利局年轻职员，开启他梦幻般的科学之旅。
爱因斯坦的光电效应解释
1905年成为爱因斯坦的物理奇迹年，爱因斯坦在这一年分别在热力学统计，量子论和相对论三个领域连发表六篇论文，每一篇都可谓重量级，这也让后来的诺贝尔奖评审会伤透脑筋，当时量子论似乎还有争议，相对论看不大懂，而热力学统计似乎没前面两个有名，本该1921年授予的诺奖，纠结到1922年才补发给爱因斯坦，理由是对光电效应定律的阐明。
我们还是回到1905年，在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》中，爱因斯坦写道“确实，在我看来，关于黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线，以及其它一些有关光的产生和转化的现象的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假设来解释，似乎就更容易理解。按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光线的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间体积中的，而是由个数有限的，集中在空间某些点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能分割，而只能整个地被吸收或产生出来。”在论文中爱因斯坦创造性地提出“光量子”概念，并借此来解释光致发光（荧光）、光电效应等现象。对于光电效应他指出“关于光的能量连续地分布在它经过的空间之中这种通常的见解，当试图解释光电现象时，遇到了特别大的困难。”爱因斯坦进一步指出，当把光电子初动能作为入射光的频率的函数而在笛卡尔坐标系中画出时，就必然得到一条直线，并且其斜率不依赖于所研究的物质的种类。显然，斜率就是普朗克常量h。
光量子的质疑
爱因斯坦的光量子学说是建立在普朗克的量子的观点之上，1900年普朗克在解决黑体辐射问题时，就提出了电磁辐射的量子观点。普朗克本人也差点被自己的理论吓着，他谨慎保守的认为能量子只存在于电磁波的吸收和反射中，并不影响电磁波的连续性，毕竟此时麦克斯韦电磁理论方兴未艾，帮助着一大帮研究者在科学领域开疆拓土，若是谁敢挖电磁理论的墙角，哼哼！
把光看成光量子，似乎又回到了牛顿时期的微粒说，因此光量子的提出，迎来的更多是质疑和沉默，甚至在提出光量子假说的八年之后，当普朗克、能斯特、鲁斯本、瓦尔堡提名爱因斯坦为普鲁士科学院院士时，他们对爱因斯坦光量子说均持否定态度。在提名推荐书中有这样一段话：
“总之，我们可以说几乎没有一个现代物理学的重要问题是爱因斯坦没有做过巨大贡献的，当然，他有时在创新思维中会错过目标。例如，他对光量子的假说，可是我们不应该过分批评他。因为，即使在最准确的科学里，要提出真正新的观点而不冒任何风险是不可能的。”
持相同观点的还有英国物理学家卢瑟福：“能量和频率之间的这种明显联系，现在没有可能的物理解释。”
爱因斯坦本人也是有所保留的，在一封信中写道：“至于这些量子是否确实存在，我不再过问了，我也不再去设法解释他们，因为，我已经明白，我的脑子是无法彻底理解他们的。”
一个理论正确与否最终还是需要通过实验来检验。
密立根测量普朗克常量实验
美国实验物理学家密立根在1916年设计出了精确的实验来检验爱因斯坦的光电效应理论，密立根的最初设想是想通过实验否定爱因斯坦的光量子理论，结果出现了戏剧性的反转，光电子初动能和光频率的函数曲线的斜率正好等于普朗克解释黑体辐射时的常量h，此时密立根仍“严谨”的认为，“对爱因斯坦方程的全面而严格的正确性做出绝对有把握的判断还为时过早”但他还是承认，“现在的实验比过去的所有实验都更有说服力地证明了它，如果这个方程在所有的情况下都是正确的，那就应该把它看作是最基本的和最有希望的物理方程之一，因为它是可以确定所有的短波电磁辐射转换为热能的方程。”
康普顿散射实验
1919～1920年间，康普顿去英国在汤姆逊和卢瑟福的指导下以访问学者的身份在卡文迪什实验室工作，他进行了γ射线的散射实验，发现用经典理论无法解释实验结果．回国后他用单色x射线和布喇格晶体光谱仪作实验，通过从不同角度在靶周围测量散射互射线波长，发现散射波中含有波长增大的波，该现象就是著名的康普顿效应．康普顿指出：散射应遵从能量守恒和动量守恒定律，出射X射线波长变长证明了X射线光子带有量子化动量．1922年，他采用单个光子和自由电子的简单碰撞理论，对这个效应做出了满意的理论解释．在康普顿散射实验中不仅证明了微观领域守恒的成立，光量子的概念也再一次经受住了考验。
这样，爱因斯坦的光量子假说成功地解释了光电效应和康普顿效应，人们逐渐接收光量子学说，由于动量属性的确认，在1926年，美国物理学家刘易斯提出了光子概念，以取代光量子。
然而光的本性依然让人迷惑，爱因斯坦直至晚年依然耿耿于怀，“整整五十年有意识的思考还没有使我更接近‘光量子是什么？’的答案，当然今天每一个不老实的人都认为知道答案了，但他是在欺骗他自己。”真正的进行科学探究的人，都是默默前行的孤独者，他们也有迷惑但从未畏惧，支持他们前行的力量我想无碍乎——事实和逻辑。真相或许离我们很远，在事实发现和逻辑推演的道路上从来不缺这些前行者们，或许他们才是人类真正的灵魂。
附：光电效应探究与实证脉络图
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