五、光電效應(yīng)

把光照射到金屬表面（例如鋅板），就會(huì)發(fā)生電流效應(yīng)（見圖1-17），這一效應(yīng)被稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是如何發(fā)生的呢？

圖1-17 光電效應(yīng)

首先光電效應(yīng)產(chǎn)生的原理是，光把原子中的電子敲出了原子空間，在電子脫離了原子核的束縛跑到空間中后，就裸露出了一個(gè)正電場，因此就產(chǎn)生出了電磁場的移動(dòng)——電流。

按照當(dāng)時(shí)觀點(diǎn)，是把光當(dāng)成波來處理的。例如，你可以把波對(duì)電子的沖擊想象成海浪對(duì)沙灘上石子的沖擊。這樣光的強(qiáng)度（如同海浪的強(qiáng)度）越大，被撞出的電子也就越多，因此產(chǎn)生出的電流也就越大。

然而人們通過實(shí)際檢測到的情況卻不是這樣的，人們觀察到的情況是：讓金屬產(chǎn)生電流的光的頻率存在一個(gè)閾值，凡是在這個(gè)閾值下，無論你施加多大強(qiáng)度的輻射量，都不會(huì)產(chǎn)生電流。在閾值之上，只要很少量的電磁輻射，就會(huì)產(chǎn)生電流。例如：紅色光的頻率較低，如果你把一塊金屬放在火熱的爐子旁邊烤，即紅光的輻射量很大，金屬中也未出現(xiàn)任何電流。如果只是用少量的紫光去照射金屬，那么瞬間就會(huì)出現(xiàn)電流。就是說，當(dāng)把光認(rèn)定為波時(shí)，無法解釋光電效應(yīng)中為什么會(huì)存在這么一個(gè)閾值。

在1905年，愛因斯坦借鑒了普朗克關(guān)于電磁波是以一份一份發(fā)出的見解，提出如果把光想象成是一個(gè)一個(gè)的粒子，那么光電效應(yīng)的反?，F(xiàn)象就獲得了合理的解釋。解釋如下：你可以想象沙灘上存在的是一個(gè)一個(gè)的如鉛球一樣的電子，把低頻率的紅色光子想象成一個(gè)一個(gè)的乒乓球，那么無論多少乒乓球撞向鉛球，因?yàn)槠鋯蝹€(gè)的能量很小，因此即便再多的乒乓球也無法將一個(gè)鉛球敲出沙灘坑外。但如果是一個(gè)帶有高能量的高頻率光子，例如紫色光，那么每一個(gè)紫色光子都如同是一個(gè)鉛球，因此只是一個(gè)鉛球就可以將沙灘上的另一個(gè)鉛球敲出坑外。

因此，火爐即便很熱，它所輻射出的都是低頻率（低能量）的光子，是無法產(chǎn)生電流的。同時(shí)，即便是你用很少量的紫光去照射金屬，也會(huì)產(chǎn)生電流效應(yīng)。例如，就算是在陰天情況下，陽光中輻射過來的一部分高頻率的光子，也會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。

雖然愛因斯坦在1921年因光電效應(yīng)論文獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，但是直到1926年，當(dāng)大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持愛因斯坦之后，科學(xué)家才正式將“光”取名為“光子”。

最近幾年，哈佛大學(xué)的莉娜·豪博士通過將激光聚焦到兩個(gè)微小的鈉氣體云的方式，首次讓我們看到光子的模樣（見圖1-18）。

圖1-18 鈉氣體云中的光子實(shí)際上，我們的眼睛就是最好的、最精確的光子探測器，即光電效應(yīng)發(fā)生器。例如：無論何時(shí)，當(dāng)你看到一個(gè)物體時(shí)，都會(huì)發(fā)生如下過程：一個(gè)光子撞擊到了在你眼中的視紫紅質(zhì)中的11-順視黃醛分子，引發(fā)它的構(gòu)型發(fā)生改變。這個(gè)過程就像是在光電效應(yīng)中，一個(gè)光子撞出了原子中的一個(gè)電子，電子逃離質(zhì)子后，質(zhì)子就裸露出了一個(gè)正電場，當(dāng)類似的電場經(jīng)過累積達(dá)到一個(gè)閾值時(shí)，就會(huì)引發(fā)神經(jīng)細(xì)胞爆發(fā)一次動(dòng)作電位。由此，這個(gè)動(dòng)作電位像骨牌效應(yīng)的波一樣（注意：神經(jīng)細(xì)胞以及其中的電子、質(zhì)子并沒有移動(dòng)，移動(dòng)的是電場，而電場不是一個(gè)東西，只是一段信息），通過神經(jīng)細(xì)胞間一系列的傳導(dǎo)——傳遞，繼而激發(fā)了你后腦腦皮層視覺細(xì)胞時(shí)，突然你就看到了這段文字。當(dāng)其進(jìn)一步激發(fā)大腦皮層其他部分時(shí)，就會(huì)讓你思考這段文字所表達(dá)的深意。

因此，愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋無可辯駁地證明，在光從光源發(fā)出時(shí)，是以一個(gè)一個(gè)的粒子形式發(fā)出的。例如一只100瓦的白熾燈，在一秒鐘內(nèi)就會(huì)發(fā)射出2500億億個(gè)光子（見圖1-19）。

圖1-19 一只100瓦的白熾燈，在一秒鐘內(nèi)就會(huì)發(fā)射出2500億億個(gè)光子六、哥本哈根詮釋

自從普朗克提出輻射是以一個(gè)一個(gè)的量子方式發(fā)射以來，對(duì)于“光到底是什么”或者說“光到底有什么特性”，科學(xué)界經(jīng)過將近30年的爭論——主要是愛因斯坦與尼爾斯·玻爾之間的爭論和新的理論提出——在1927年，由丹麥科學(xué)家尼爾斯·玻爾在丹麥?zhǔn)锥几绫竟岢隽藢?duì)光、或者說對(duì)量子世界的全新解釋。這被稱為哥本哈根詮釋，具體解釋有以下四點(diǎn)。為了便于理解，下面用電子和光子作為表述實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其原理是等同的。