發現光電效應的天才
摘自：百度百科
光電效應首先由德國物理學家海因里希·赫茲於1887年發現，對發展量子理論及提出波粒二象性的設想起到了根本性的作用。菲利普·萊納德用實驗發現了光電效應的重要規律。阿爾伯特·愛因斯坦則提出了正確的理論機制。
十九世紀
1839年，年僅十九歲的亞歷山大·貝克勒爾（Alexandre Becquerel），在協助父親研究將光波照射到電解池（electrolytic cell）所產生的效應時，發現了光生伏打效應。雖然這不是光學效應，但對於揭示物質的電性質與光波之間的密切關係有很大的作用。威勒畢·史密斯（Willoughby Smith）於1873年在進行與水下電纜相關的一項任務，測試硒圓柱高電阻性質時，發現其具有光電導性，即照射光束於硒圓柱會促使其電導增加。
光電效應
光電效應的研究歷史
海因里希·赫茲
1887年，德國物理學者海因里希·赫茲做實驗觀察到光電效應、電磁波的發射與接收。在赫茲的發射器里有一個火花間隙（spark gap），可以借著製造火花來生成與發射電磁波。在接收器里有一個線圈與一個火花間隙，每當線圈偵測到電磁波，火花間隙就會出現火花。
由於火花不很明亮，為了更容易觀察到火花，他將整個接收器置入一個不透明的盒子內。他注意到最大火花長度因此減小。為了理清原因，他將盒子一部分一部分拆掉，發現位於接收器火花與發射器火花之間的不透明板造成了這屏蔽現象。光電效應的研究歷史
光電效應
光電效應的研究歷史
假若改用玻璃來分隔，也會造成這屏蔽現象，而石英則不會。經過用石英稜鏡按照波長將光波分解，仔細分析每個波長的光波所表現出的屏蔽行為，他發現是紫外線造成了光電效應。赫茲將這些實驗結果發表於《物理年鑒》，他沒有對該效應做進一步的研究。
紫外線入射於火花間隙會幫助產生火花，這個發現立刻引起了物理學者們的好奇心，其中包括威廉·霍爾伐克士（Wilhelm Hallwachs）、奧古斯圖·里吉（Augusto Righi）、亞歷山大·史托勒托夫（Aleksandr Stoletov）等等。
光電效應
他們進行了一系列關於光波對於帶電物體所產生效應的研究調查，特別是紫外線。這些研究調查證實，剛剛清潔乾淨的鋅金屬表面，假若帶有負電荷，不論數量有多少，當被紫外線照射時，會快速地失去這負電荷；假若電中性的鋅金屬被紫外線照射，則會很快地變為帶有正電荷，而電子會逃逸到金屬周圍的氣體中，假若吹拂強風於金屬，則可以大幅度增加帶有的正電荷數量。光電效應的研究歷史
約翰·艾斯特（Johann elster）和漢斯·蓋特爾（Hans Geitel），首先發展出第一個實用的光電真空管，能夠用來量度輻照度。艾斯特和蓋特爾將其用於研究光波照射到帶電物體產生的效應，獲得了巨大成果。他們將各種金屬依光電效應放電能力從大到小順序排列：銣、鉀、鈉鉀合金、鈉、鋰、鎂、鉈、鋅。對於銅、鉑、鉛、鐵、鎘、碳、汞，普通光波造成的光電效應很小，無法測量到任何效應。上述金屬排列順序與亞歷山德羅·伏打的電化學排列相同，越具正電性的金屬給出的光電效應越大。
湯姆孫量度粒子荷質比的光電效應實驗裝置。
當時研究「赫茲效應」的各種實驗還伴隨著「光電疲勞」的現象，讓研究變得更加複雜。光電疲勞指的是從乾淨金屬表面觀察到的光電效應逐漸衰微的現象。根據霍爾伐克士的研究結果，在這現象里，臭氧扮演了很重要的角色。可是，其它因素，例如氧化、濕度、拋光模式等等，都必須納入考量。
1888至1891年間，史托勒托夫完成了很多關於光電效應的實驗與分析。他設計出一套實驗裝置，特別適合於定量分析光電效應。藉助此實驗裝置，他發現了輻照度與感應光電流的直接比例。另外，史托勒托夫和里吉還共同研究了光電流與氣壓之間的關係，他們發現氣壓越低，光電流變越大，直到最優氣壓為止；低於這最優氣壓，則氣壓越低，光電流變越小。
約瑟夫·湯姆孫於1897年4月30日在大不列顛皇家研究院（Royal Institution of Great Britain）的演講中表示，通過觀察在克魯克斯管里的陰極射線所造成的螢光輻照度，他發現陰極射線在空氣中透射的能力遠超一般原子尺寸的粒子。光電效應的研究歷史
因此，他主張陰極射線是由帶負電荷的粒子組成，後來稱為電子。此後不久，通過觀察陰極射線因電場與磁場作用而產生的偏轉，他測得了陰極射線粒子的荷質比。1899年，他用紫外線照射鋅金屬，又測得發射粒子的荷質比為7.3×10emu/g，與先前實驗中測得的陰極射線粒子的數值7.8×10emu/g大致符合。
他因此正確推斷這兩種粒子是同一種粒子，即電子。他還測出這粒子所載有的負電荷 。從這兩個數據，他成功計算出了電子的質量：大約是氫離子質量的千分之一。電子是當時所知質量最小的粒子。
二十世紀匈牙利物理學家菲利普·萊納德
菲利普·萊納德於1900年發現紫外線會促使氣體發生電離作用。由於這效應廣泛發生於好幾厘米寬區域的空氣，並且製造出很多大顆的正離子與小顆的負離子，這現象很自然地被詮釋為光電效應發生於在氣體中的固體粒子或液體粒子，湯姆孫就是如此詮釋這現象。
1902年，萊納德又發布了幾個關於光電效應的重要實驗結果。第一，借著變化紫外光源與陰極之間的距離，他發現，從陰極發射的光電子數量每單位時間與入射的輻照度成正比。第二，使用不同的物質為陰極材料，可以顯示出，每一種物質所發射出的光電子都有其特定的最大動能（最大速度），換句話說，光電子的最大動能於光波的光譜組成有關。第三，借著調整陰極與陽極之間的電壓差，他觀察到，光電子的最大動能與截止電壓成正比，與輻照度無關。
由於光電子的最大速度與輻照度無關，萊納德認為，光波並沒有給予這些電子任何能量，這些電子本來就已擁有這能量，光波扮演的角色好似觸發器，一觸即發地選擇與釋出束縛於原子里的電子，這就是萊納德著名的「觸發假說」（triggering hypothesis）。光電效應的研究歷史
在那時期，學術界廣泛接受觸發假說為光電效應的機制。可是，這假說遭遇到一些嚴峻問題，例如，假若電子本來在原子里就已擁有了逃逸束縛與發射之後的動能，那麼，將陰極加熱應該會給予更大的動能，但是物理學者做實驗並沒有測量到任何不同結果。
英姿煥發的愛因斯坦在1905年（愛因斯坦奇蹟年）發表了六篇劃時代的論文。
1905年，愛因斯坦發表論文《關於光的產生和轉化的一個試探性觀點》，對於光電效應給出另外一種解釋。他將光束描述為一群離散的量子，現稱為光子，而不是連續性波動。
對於馬克斯·普朗克先前在研究黑體輻射中所發現的普朗克關係式，愛因斯坦給出另一種詮釋：頻率為 的光子擁有的能量為 ；其中， 因子是普朗克常數。愛因斯坦認為，組成光束的每一個量子所擁有的能量等於頻率乘以普朗克常數。假若光子的頻率大於某極限頻率，則這光子擁有足夠能量來使得一個電子逃逸，造成光電效應。
愛因斯坦的論述解釋了為什麼光電子的能量只與頻率有關，而與輻照度無關。雖然光束的輻照度很微弱，只要頻率足夠高，必會產生一些高能量光子來促使束縛電子逃逸。儘管光束的輻照度很強勁，假若頻率低於極限頻率，則仍舊無法給出任何高能量光子來促使束縛電子逃逸。
愛因斯坦的論述極具想像力與說服力，但卻遭遇到學術界強烈的抗拒，這是因為它與詹姆斯·麥克斯韋所表述，而且經過嚴格理論檢驗、通過精密實驗證明的光的波動理論相互矛盾，它無法解釋光波的折射性與相干性，更一般而言，它與物理系統的能量「無窮可分性假說」相互矛盾。甚至在實驗證實愛因斯坦的光電效應方程正確無誤之後，強烈抗拒仍舊延續多年。愛因斯坦的發現開啟了的量子物理的大門，愛因斯坦因為「對理論物理學的成就，特別是光電效應定律的發現」榮獲1921年諾貝爾物理學獎。
圖為密立根做光電效應實驗得到的最大能量與頻率關係線。豎軸是能夠阻止最大能量光電子抵達陽極的截止電壓，P是逸出功，PD是電勢差（potential difference)。
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愛因斯坦的論文很快地引起美國物理學者羅伯特·密立根的注意，但他也不贊同愛因斯坦的理論。之後十年，他花費很多時間做實驗研究光電效應。他發現，增加陰極的溫度，光電子最大能量不會跟著增加。他又證實光電疲勞現象是因氧化作用所產生的雜質造成，假若能夠將清潔乾淨的陰極保存於高真空內，就不會出現這種現象了。1916年，他證實了愛因斯坦的理論正確無誤，並且應用光電效應直接計算出普朗克常數。密立根因為「關於基本電荷以及光電效應的工作」獲頒1923年諾貝爾物理學獎。
根據波粒二象性，光電效應也可以用波動概念來分析，完全不需用到光子概念。威利斯·蘭姆與馬蘭·斯考立（Marlan Scully）於1969年證明這理論。
發現規律
通過大量的實驗總結出光電效應具有如下實驗規律：
1．每一種金屬在產生光電效應時都存在一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低於某一臨界值。相應的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。當入射光的頻率低於極限頻率時，無論多強的光都無法使電子逸出。
2．光電效應中產生的光電子的速度與光的頻率有關，而與光強無關。
3．光電效應的瞬時性。實驗發現，即幾乎在照到金屬時立即產生光電流。響應時間不超過十的負九次方秒（1ns）。
光電效應的研究歷史
4.入射光的強度隻影響光電流的強弱，即隻影響在單位時間單位面積內逸出的光電子數目。在光顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，即一定顏色的光，入射光越強，一定時間內發射的電子數目越多。
矛盾
在光電效應中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據經典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定於它的強度，即只與電磁波的振幅有關，而與電磁波的頻率無關。而實驗規律中的第一、第二兩點顯然用經典理論無法解釋。第三條也不能解釋，因為根據經典理論，對很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個能量積累的過程而不可能瞬時產生光電子。
光電效應里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直於金屬表面射出，與光照方向無關，光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響。
所有這些實際上已經曝露出了經典理論的缺陷，要想解釋光電效應必須突破經典理論。
量子解釋
1905年，愛因斯坦把普朗克的量子化概念進一步推廣。他指出：不僅黑體和輻射場的能量交換是量子化的，而且輻射場本身就是由不連續的光量子組成，每一個光量子的能量與輻射場頻率之間滿足ε=hν，即它的能量只與光量子的頻率有關，而與強度（振幅）無關。
愛因斯坦光電效應方程
根據愛因斯坦的光量子理論，射向金屬表面的光，實質上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射光的頻率過低，即光子流中每個光子能量較小，當他照射到金屬表面時，電子吸收了這一光子，它所增加的ε=hν的能量仍然小於電子脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離開金屬表面，因而不能產生光電效應。
如果照射光的頻率高到能使電子吸收後其能量足以克服逸出功而脫離金屬表面，就會產生光電效應。此時逸出電子的動能、光子能量和逸出功之間的關係可以表示成：光子能量- 移出一個電子所需的能量（逸出功）=被發射的電子的最大初動能。
即：Εk(max)=hv-W0
這就是愛因斯坦光電效應方程。
其中，h是普朗克常數；v是入射光子的頻率
天才的奧秘
光電效應的研究歷史
愛因斯坦26歲就發表了震驚世界的相對論，比爾?蓋茨先生20歲開始領導微軟創造出Windows，是什麼成就了他們成為天才？
愛因斯坦3歲還不會講話為什麼後來成為了天才？他為什麼能創造相對論？世界首富比爾?蓋茨先生為什麼能創造出windows？天才們有共同點嗎？如果有，我們「站在巨人的肩膀上」也可以打造出天才。
天才的奧秘是什麼？從天才的成長曆程發現他們都熱愛科學喜歡看書，有好奇心喜歡做趣味科學實驗，對數學有深入研究。
天才的方程式：天才=愛好看書+喜歡實驗+陶醉於數學
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