爱因斯坦因为它,获得人生中唯一诺奖,光电效应究竟是啥呢?
爱因斯坦是迄今为止最伟大的科学家之一。其实,小编觉得完全可以把“之一”去掉。这位科学巨匠所缔造的相对论扩展了牛顿的时空观,将我们的宇宙描述成三维的空间加上一维的时间所构成的四维时空。相对论对时空和物质的诠释更是堪称经典——时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲。
如此出色的理论却没有获得诺贝尔奖。这其中有因为相对论太过超前,当时的技术无法验证的原因。也有因为诺奖委员会过于保守的原因。还有因为爱因斯坦是犹太人的因素。但是爱因斯坦的声望与日俱增,若诺奖委员会再不把诺奖颁给爱因斯坦,其权威性将大打折扣。最后,委员会想到一个折中、保险的办法,就是授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖,但只字不提相对论,而是因为他在1905年提出光量子假说,成功解释了光电效应。
爱因斯坦仅仅因为光电效应获得过一次诺奖,这不免让人为他和他的相对论感到惋惜。
话分两端,我们看一些荒野求生的影视剧,会有这样一个现象。主角流落到大洋中的一个荒岛上,为了求生,必须先点起一堆篝火。正值晌午,烈日当空。主角找到易燃的柴草,取出放大镜,让阳光通过放大镜(凸透镜),聚焦成一束拥有高热的光线,最后照到柴草上,将之引燃。太阳越大,阳光越强,温度提升得就越快。我们就越容易将柴草点燃。
回到我们今天谈的光电效应。1887年,赫兹首先发现了光电效应。简而言之,就是当我们用光去照射金属板的时候,金属板上的电子就会被撞飞出去。
这个现象乍一看,和用放大镜引燃柴草类似,没什么怪异之处。可奇就奇在,当实验人员加强光的强度,按理说撞出来的光电子应该更多。就像我们用放大镜引燃柴草,阳光越强烈,其热度越高,柴草就越容易引燃。可光电效应奇了怪了,无论怎样加强光亮度,从金属表面飞出的光电子没有变化。但是当实验人员换成亮度较弱的紫光灯,撞飞出来的光电子瞬间激增。
许多理论物理学家,提出各种理论来解释这一奇怪的现象,都没有成功。其中,普朗克是最为接近真相的。
1900年,普朗克研究黑体辐射发现光的能量并不是连续的,而是一份一份的。他提出量子能量公式E=hv。这个公式十分重要,爱因斯坦根据这一公式迈出了成功解释光电效应最为关键的一步。
E表示光量子具有的能量,h是普朗克常数,v是电磁波(光)的频率。E=hv,告诉我们,光量子具有的能量大小与光的频率是密切相关的,而与光的亮度无关。紫外线的频率高于我们的可见光,所以它携带的能量较大,拥有了更大的能量,冲撞力就更猛。当然撞出来的光电子就更多。
在电磁波中,X射线、γ射线的频率比紫外线还要高。显而易见,它们的光电效应会更加强烈。而我们前文提到的利用放大镜引燃柴草是属于光热效应。这两者看似相似,却有着本质的不同。
1905年,爱因斯坦发表了论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,提出光量子假说,不仅成功解释了光电效应,还撞开了量子世界的大门。虽然爱因斯坦后来一直质疑量子力学的完备性,但他确实是这一学科的开创者之一。
光电效应在我们现实生活中的应用也非常广泛,利用光电效应制成的光控制电器,可用于自动计数、自动报警等。电视摄像管、光电管、电光度计乃至农业病虫害防治都离不开光电效应。
虽然爱因斯坦解释了光电效应的光量子假说没有相对论出色,但是也绝对配得上诺贝尔奖的光环,同时也是这位科学巨匠留给人类的宝贵财富。