纪念爱因斯坦1905年解释光电效应100周年，本文主要内容关键词为：爱因斯坦论文,光电效应论文,周年论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“在我们这一时代的物理学史中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是，将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说，他究竟是同牛顿一样伟大，还是比牛顿更伟大；不过，可以肯定地说，他的伟大是可以同牛顿相比拟的。按照我的见解，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，更加深刻地进入了人类思想基本概念的结构中。”这是法国物理学家朗之万在1931年对爱因斯坦的评价。
20世纪初，我们有幸得以目睹了最伟大的物理学家爱因斯坦的成就，只有运用全面的历史观点来分析，才能体会到爱因斯坦的贡献对科学思想发展的全部意义。就爱因斯坦想象力的丰富和概念系统的博大精深而言，他在同时代的科学家是无与伦比的。事实上，自牛顿以来，没有哪一位物理学家能引起人们这么广泛的关注。尽管他们的方法有较大的不同，但是在将渊博的知识全面地应用在物理学之上，爱因斯坦和牛顿的盛名是并驾齐驱的。100年后的今天，让我们借助光电效应来领略这位伟人的风采。
一、爱因斯坦生平
阿尔伯特·爱因斯坦于1879年3月14日出生在德国的乌尔姆市。他的父亲赫尔曼·爱因斯坦和母亲波琳·科克都是犹太人。他于1896～1900年就读于瑞士苏黎世联邦理工大学师范系，1902～1908年在瑞士任联邦专利局审核员，1905年获苏黎世大学博士学位，1908～1933年先后任教于波尔尼大学，苏黎世瑞士联邦理工大学，在柏林大学受聘为普鲁士科学院院士，1933～1945年任美国普林斯顿高等学术研究院研究员。他于1891年脱离德国国籍，1901年获准成为瑞士公民。1914年起，大部分时间在德国工作，直到1935年纳粹政府上台，被迫移居美国，1940年加入美国国籍，1955年4月18日病逝于普林斯顿。因爱因斯坦对理论物理学所做的贡献，特别是在提出光量子概念，并用量子观点成功地解释了光电效应现象而荣获1921年的诺贝尔物理学奖。
二、光电效应
1.光电效应的发现
在光照射下的金属表面发射电子的现象叫做光电效应。德国物理学家赫兹（1857—1894）于1887年进行无线电波实验时，首先发现了光电效应。他发现，当用紫外线照射保持高电压的容器极板时，能观察到在两电极之间有电火花跃过。
后来，俄国物理学家斯托列托夫等人也多次做了同类型的实验，确认了这个事实。证实了被光照射过的金属板上带正电荷。1897年英国物理学家J·J·汤姆逊确认了电子存在以后，人们才把这种现象称为光电效应。在光电效应中发射出来的电子叫做光电子。1899～1902年间，赫兹的助手勒纳利利用各种频率的光照射钠汞合金，对光电效应现象进行了系统的研究。他发现光电效应具有以下三个主要性质：一是每种金属表面都存在一个特征截止频率υ[，0]。当入射光的频率小于截止频率υ[，0]，不管其强度有多大，都不会发生光电效应现象；二是出射光电子的动能只和入射光的频率有关，同入射光的强度无关；三是只要入射光的频率大于其特征截止频率υ[，0]，无论它的强度多么微弱，都立即会引起光电子从金属表面逸出，不存在时间滞后。这三个主要性质用光的经典波动理论根本无法解释。
2.爱因斯坦的光量子理论及其对光电效应现象的解释
1905年爱因斯坦发表了论文“关于光的产生和转化的一个启发性观点”，成功的解释了光电效应并确定了它的规律。他以勒纳利总结出的光电效应的性质作为光是微粒的依据，并且和德国物理学家普朗克的量子假设结合起来，提出了量子假说。他不满足普朗克把能量子的不连续性局限在辐射的发射和吸收过程中，而是认为即使在光的传播过程中能量也是不连续的，他把它应用于光，普朗克将它的振子当做以量子hυ的形式发射频率υ的辐射波，并且也以分离的形式吸收辐射的物体。如果一个物体发射量子，而另一个物体吸收它们，那么在两个物体之间的空间中发生了什么呢？爱因斯坦提出的观点是：在这两个物体之间通过的能量同样是以光速飞行的量子组成的。这样一来，可见光线以及不可见光线都被假定为由彼此独立的飞过空间的孤立成分组成的。这个理论类似于牛顿的微粒说，但是在量子论中不可见光的部分由于具有较高频率所以就较大，而牛顿的观点是红色微粒大于紫色微粒。爱因斯坦为了摆脱从麦克斯韦的电学理论和电子论中做出的与观察不符的结论而提出了他的光量子。他提出：一束单色光，就是一束以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子（1926年后改称光子）。每个光子都具有一定的能量，对于频率为υ的光，其光子能量为E=hυ，h为普朗克常数。光束的能量就是这些光子能量的总和。一定频率的光，光子的数量越多，光的强度就越大。光电效应是由于金属中的自由电子吸收了光子能量而从金属表面逸出而发生的。他认为光（电磁辐射）是由光量子组成，每个光量子的能量E与辐射频率υ的关系是E=hυ。此即爱因斯坦的光量子假说。1916年，爱因斯坦的光量子假说被实验所证实。他还根据光的动量和能量关系p=E/c，指出光量子的动量P与辐射波长λ的关系为p=h/υ，1923年，康普顿（Compton）散射实验证实了这一设想是正确的。
利用爱因斯坦提出的光量子能量及动量的关系式，不难解释在光电效应中出现的疑难问题。当紫外光照射到金属表面时，一个光子的能量立刻被金属中的电子吸收。但是，只有当光子的能量足够大时，电子才有可能克服逸出功ω[，0]而逃离金属表面成为光电子。光电子的动能（1/2）mv[2]=hυ-ω[，0]。式中，v是光电子的速度，υ是光子的频率。由上式可以看出，只有当光子的频率υ不小于阙值υ=ω[，0]/h时，才有光电子的发射，否则无光电效应现象的发生；光电子的动能只依赖于照射光的频率υ，而与照射光的强度无关。
至此，爱因斯坦的光量子假说克服了经典理论遇到的困难，成功圆满地解释了光电效应中观察到的实验现象。
3.爱因斯坦光子假说的意义
爱因斯坦光量子理论的重要意义，不仅在于对光电效应做出了正确的解释，更重要的是使关于光的本性的认识前进了一大步。历时三个多世纪的波动说和微粒说的争论，被光的波粒二象性的观点所代替，并为以后微观粒子波粒二象性的提出打下了坚实的基础。
爱因斯坦的光量子假说发展了普朗克所开创的量子理论。在普朗克的理论中，还是坚持电磁波在本质上是连续的，只是假定当它们与器壁振子发生能量交换时电磁能量才显示出量子性。爱因斯坦对旧理论不是采取改良的态度，而是要求弄清事物的本质彻底解决问题，他看出量子不是一个成功的数学公式，而是揭露光的本质的手段。他克服了普朗克量子假说的不彻底性，把量子性从辐射的机制引申到光的本身上，认为光本身也是不连续的，光不仅在吸收和发射时是量子化的，而且光的传播本身也是量子化的。爱因斯坦的光量子假说恢复了光的粒子性，使人们终于认清了光的波粒双重特性，而且在它的启发下，发现了德布罗意物质波，使人们认清了微观世界的波粒二象性，为后来量子力学的建立奠定了基础。
从当时的观点看来光量子假说同光的干涉事实相矛盾，许多物理学家不赞成光量子假说，就连普朗克也抱怨说“太过分了”，1907年他在写给爱因斯坦的信中说：“我为作用基光量子（光量子）所寻找的不是它在真空中的意义，而是它在吸收和发射方面的意义，并且我认为，真空中的过程已由麦克斯韦方程做了精确的描述”。直到1913年他还拒绝光量子假说。
美国物理学家罗伯特·密立根（R.A.Millikan1868—1953）在电子和光电效应的研究方面做出了杰出的贡献。他曾花费十年时间去做光电效应实验。最初他不相信光量子理论，企图以实验来否定它，但实验的结果却同他最初的愿望相反。1915年他宣告，他的实验证实了爱因斯坦光电效应公式。他根据光量子理论给出了h的测定值，与普朗克辐射公式给出的h值符合得很好。1922～1923年间，康普顿（A.H.Compton1892—1962）研究了X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱。根据古典电磁波理论，入射波长应与散射波长相等，而康普顿的实验却发现，除有波长不变的散射外，还有大于入射波长的散射存在，这种改变波长的散射称为康普顿效应。光的波动说无论如何也不能解释这种效应，而光量子假说却能成功地解释它。按照光量子理论，入射X射线是光子束，光子同散射体中的自由电子碰撞时，将把自己的一部分能量给了电子，由于散射后的光子能量减少了，从而使光子的频率减小，波长变大。因此，康普顿效应的发现，有力地证实了光量子假说，兼于此荣获1927年的诺贝尔物理学奖。1926年，美国化学家刘易斯将光量子正式命名为光子（photon）。
爱因斯坦由于对光电效应定律的发现而获得了1921年的诺贝尔物理学奖，他晚年认为光量子概念是他一生中所提出的最具革命性的思想。
三、光电效应的发展及应用
1887年，赫兹研究了电火花的紫外光照射在火花隙缝的负电极上时有助于放电。
1888年，德里斯登的霍尔瓦克斯发现在光的影响下，物体释放出负电。
1900年，普朗克提出能量子假设，给出正确的黑体辐射公式，为此荣获1918年诺贝尔物理学奖。
1905年，爱因斯坦提出光量子理论，解释了光电效应，为此荣获1921年诺贝尔物理学奖。
1916年，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应理论及其油滴实验，为此荣获1923年诺贝尔物理学奖。
利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性，可以制造光电转换器——实现光信号与电信号之间的相互转换。这些光电转换器如光电管（photoelenent）等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。
四、爱因斯坦的其他成就
我们都知道爱因斯坦对物理学的贡献不只是在正确解释光电效应方面。他所创立的狭义相对论，广义相对论等则是他对人类科学最大的划时代贡献。
1.狭义相对论
他所创立的狭义相对论是20世纪物理学最伟大的科学成就之一。它从根本上改变了人们传统的时间、空间概念，建立起了崭新的宇宙时空观。它揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性，深刻揭露了力学运动和电磁运动在运动学上的统一性，给出了高速运动物体的运动规律。而且还进一步揭示了物质和运动的统一性（质量和能量的相当性），发展了物质和运动不可分割原理，并且为原子能的利用奠定了理论基础。这一理论不仅被大量实验所证实，同时已经成为近现代高新科学技术不可缺少的理论基础。一位美国大学教授曾经这样评论：“爱因斯坦创立了崭新的观点，创建了一个崭新的宇宙观。一般的人若要掌握时间，空间的统一性以及其他方面的理论，也许需要几代人的时间；然而如今，由于爱因斯坦的努力，即使普通人也已懂得宇宙比他们原先所想象的要巨大和奇妙的多。”
2.广义相对论
1916年爱因斯坦发表论文“广义相对论的基础”。广义相对论指出，时空曲率将产生引力。当光线经过一些大质量的天体时，它的路线是弯曲的，这源于它沿着大质量物体所形成的时空曲率。因为黑洞是极大的质量的浓缩，它周围的时空非常弯曲，即使是光线也无法逃逸。并进一步揭示了四维时空同物质的统一关系，指出时空不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，它并不是平坦的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。根据广义相对论的引力论，他推断光在引力场中不沿着直线而会沿着曲线传播。这一理论预见，在1919年由英国天文学家在日食观察中得到证实，当时全世界都为之轰动。1938年，他在广义相对论的运动问题上取得重大进展，即从场方程推导出物体运动方程，由此更深一步地揭示了时空、物质、运动和引力之间的统一性。
另外，爱因斯坦对宇宙学、万有引力和电磁场的统一场论等的研究都为物理学的发展做出了贡献。
五、爱因斯坦对社会的贡献
爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家，一位富有哲学探索精神的杰出的思想家，同时又是一个有高度社会责任感的正直的人。他先后生活在西方政治漩涡中心的德国和美国，经历过两次世界大战。他深刻体会到一个科学工作者的劳动成果对社会会产生怎样的影响，一个知识分子要对社会负怎样的责任。爱因斯坦一心希望科学造福于人类，但他却目睹了科学技术在两次世界大战中所造成的巨大破坏，因此，他认为战争与和平的问题是当代的首要问题，他一生中发表最多的也是这方面的言论。
爱因斯坦善于准确地抓住普通原理中的一些模糊观念并揭示出其深刻内涵的思维方法，为开辟物理学新纪元不畏艰难所表现出来的惊人的意志和毅力，以及后来为反对侵略、维护和平事业所表现出的不屈不挠的斗争精神，将永远为后世学习和敬仰。
六、思考
如今100年过去了，爱因斯坦对光电效应的解释早已得到了世人的公认，但我们从中学到什么呢？每一个走向21世纪的人都应该在这个问号面前沉思默想，他的不畏权威，他的敢于创新，还有那一丝不苟的求是精神是值得我们学习的。21世纪需要的是知识、能力、素质综合发展的人才，我们应该为全新的、充满活力的、和谐的、公正和光明的21世纪而努力奋斗。