愛因斯坦提出的相對論理論以及黑洞的見地是衆所周知的，盡管如此，愛因斯坦在物理領域被授予的諾貝爾獎是着眼于獎勵他對光電效應的發現。 這項革新性的發現推進了我們對于周圍所處世界的認知。那麼，光電效應是怎麼回事？

當你想到阿爾伯特愛因斯坦的時候，腦海中浮現出什麼？廣義相對論，黑洞，還是他蓬松誇張的發型？毋庸多言，他一生的時間在這些領域都做出了傑出貢獻，但是也許在阿爾伯特愛因斯坦所處的時代，他被大家接納認可的工作是他對光電效應的發現。事實上，當他被授予

1921年的諾貝爾學物理獎的榮譽之時，頒獎詞中這樣寫道，“為了紀念他對理論物理做出的貢獻，尤其是他對于光電效應法則的發現。”

這項足以問鼎諾貝爾獎的發現，其重要性在于，愛因斯坦首次将光闡釋成為波與粒子的結合體。 這個現象，被稱為波粒二象性，構成了量子力學理論的基石并且促進了電子顯微鏡和太陽能電池的研究與發現。

當負載着臨界值以上能量的光子轟擊金屬表面時，原先被金屬原子核束縛的電子被轟擊松動。每個光粒子，也稱為光子，與某一個電子碰撞而且電子利用光子攜帶的能量離開金屬原子實的束縛，光子剩餘能量轉移到這個不被束縛的帶有負電的電子上，形成一個光電子。

這個現象為什麼會發生？是什麼決定了發射的電子流的能量（也就是速度）？為了了解這些問題的答案，我們有必要深入探尋一下光電效應研究與發現的曆史。

在19世紀晚期，實驗物理學家們面臨這一個巨大的任務。在1865年，數學物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的發表了他的電磁學理論，提出電場與磁場以波的形式以光速在空間中傳播。實驗物理學家們開始着手探索可觀察的證據，至少在數學理論層面，去驗證麥克斯韋理論中提及的光的性質。

1887年迎來了成功。海因裡希·赫茲首先在實驗中産生并且觀測到了麥克斯韋爾預言的電磁輻射。赫茲在實驗中，在兩塊黃銅電極之間用導電線圈産生很高的電極差，擊穿空氣放電産生火花，在50英尺（約15.24米）之外的由黃銅球與銅導線構成的接收器處也産生了火花。

接收器産生的二次火花非常微弱，因此，赫茲決定嘗試在黑箱中放置接收器來更好的觀測。出乎意料的是，他發現在封閉空間中接收器産生的火花反而變弱了，并且僅限于特定材料制造的黑箱中會有這種現象。經過數月的實驗，赫茲實驗中得出結論為，用超紫外線（頻率非常高，超出可見光光波波段）能夠放大接收器處産生的火花。

然而，在赫茲的探索結束的時候，他始終未能解釋為什麼會有這樣的現象産生，他寫道“局限于目前的認知，我僅僅能用我得到的實驗結果與大家交流，但是并沒有成功嘗試用任何理論來解釋我的實驗中所觀察到的現象”。

此後，幾個發現打開了物理學家們探索答案的道路。首先是約瑟夫·湯姆孫對于陰極射線中帶負電的微粒為電子的鑒定，其後是菲利普·萊納德發現，他發現提高入射光的光子數目對于溢出陰極電子流的強度沒有影響。用雙倍的光子數光線照射會得到雙倍的溢出電子，但是對于光子數目對于溢出電子所攜帶能量沒有影響。

萊納德的發現與我們對光是一種波的認知有矛盾。作為一種波，更加明亮的光波被期待能夠更強烈地振動電子，因此能夠得到更多而且更快速的溢出電子。然而，萊納德的發現中，存在着入射光的最低阈值，低于這個數值的入射光不會激發溢出光電子流。

最低阈值的存在與光作為一種波的理論也有矛盾之處。随着我們對于光電效應現象細節的理解加深，對于這種觀測現象與理論之間矛盾的闡釋理論仍然乏善可陳。

在1905年，愛因斯坦之處，所有的現象都可以通過光的波粒二象性來解釋，亦即把光看成為一束粒子流（或光子流）而非光波。這些光子所攜帶的能量可以被記為一個常數與頻率的乘積。換句話說，每個光子的能量與其頻率成比例。

在金屬闆照射實驗中，每個光子被想象成一個粒子，可以轟擊一個電子并且使電子從金屬的束縛中逃逸。有一些能量在這個過程中損失，因此溢出的電子攜帶淨能量永遠小于入射光子攜帶的能量。因此，産生的光電子流的能量會與入射光的頻率有關，但是與入射光的密度無關。但是，入射光的密度（轟擊金屬闆的光子個數）僅僅影響産生的光電子流的個數。

愛因斯坦的理論同時也揭示了萊納德的最低能量阈值現象：如果入射光的能量小（入射光的頻率較低），小于産生逃逸光電子的最低數值，那麼電子将會不溢出。

美國實驗物理學界羅伯特·密立根沒有做好接受愛因斯坦理論的準備，他着手去尋找反對愛因斯坦理論的實驗數據。他花費了十年時間去證否，但是卻在實驗過程中反複驗證了光電效應理論的正确性。密立根是幸運的，他也憑借實驗物理的數據獲得了諾貝爾物理學獎。

光電效應理論在光伏電池以及太陽能電池兩個領域有着直接的應用，這兩種電能是直接由入射光子産生的。更為重要的是，光電效應帶動了量子力學的演進，實驗物理學家開始思考光的本質以及原子的結構，對我們周圍的世界有了一種全新的解釋。

愛因斯坦的光電效應的理論對于大家的最大啟示也許是提醒我們要跳出原有框架思考。如果原有理論不奏效，有時候我們需要創建新的理論。愛因斯坦自己說，“我們不能夠用同樣的思考方法去提出和解決同一個問題。”

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

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