五、光電效應(yīng)

把光照射到金屬表面（例如鋅板），就會發(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，就裸露出了一個正電場，因此就產(chǎn)生出了電磁場的移動——電流。

按照當時觀點，是把光當成波來處理的。例如，你可以把波對電子的沖擊想象成海浪對沙灘上石子的沖擊。這樣光的強度（如同海浪的強度）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閾值，凡是在這個閾值下，無論你施加多大強度的輻射量，都不會產(chǎn)生電流。在閾值之上，只要很少量的電磁輻射，就會產(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，那么瞬間就會出現(xiàn)電流。就是說，當把光認定為波時，無法解釋光電效應(yīng)中為什么會存在這么一個閾值。

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一個的粒子，那么光電效應(yīng)的反常現(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一個的如鉛球一樣的電子，把低頻率的紅色光子想象成一個一個的乒乓球，那么無論多少乒乓球撞向鉛球，因為其單個的能量很小，因此即便再多的乒乓球也無法將一個鉛球敲出沙灘坑外。但如果是一個帶有高能量的高頻率光子，例如紫色光，那么每一個紫色光子都如同是一個鉛球，因此只是一個鉛球就可以將沙灘上的另一個鉛球敲出坑外。

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，即便是你用很少量的紫光去照射金屬，也會產(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，但是直到1926年，當大量的實驗證據(jù)支持愛因斯坦之后，科學家才正式將“光”取名為“光子”。

最近幾年，哈佛大學的莉娜·豪博士通過將激光聚焦到兩個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，當你看到一個物體時，都會發(fā)生如下過程：一個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。這個過程就像是在光電效應(yīng)中，一個光子撞出了原子中的一個電子，電子逃離質(zhì)子后，質(zhì)子就裸露出了一個正電場，當類似的電場經(jīng)過累積達到一個閾值時，就會引發(fā)神經(jīng)細胞爆發(fā)一次動作電位。由此，這個動作電位像骨牌效應(yīng)的波一樣（注意：神經(jīng)細胞以及其中的電子、質(zhì)子并沒有移動，移動的是電場，而電場不是一個東西，只是一段信息），通過神經(jīng)細胞間一系列的傳導(dǎo)——傳遞，繼而激發(fā)了你后腦腦皮層視覺細胞時，突然你就看到了這段文字。當其進一步激發(fā)大腦皮層其他部分時，就會讓你思考這段文字所表達的深意。

因此，愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋無可辯駁地證明，在光從光源發(fā)出時，是以一個一個的粒子形式發(fā)出的。例如一只100瓦的白熾燈，在一秒鐘內(nèi)就會發(fā)射出2500億億個光子（見圖1-19）。

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

自從普朗克提出輻射是以一個一個的量子方式發(fā)射以來，對于“光到底是什么”或者說“光到底有什么特性”，科學界經(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，由丹麥科學家尼爾斯·玻爾在丹麥首都哥本哈根提出了對光、或者說對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。為了便于理解，下面用電子和光子作為表述實驗對象，其原理是等同的。