四、爱因斯坦的光量子（光子）理论

正当物理学家们为光电效应所表现出的这些性质感到迷惑不解的时候，1905 年爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》不朽论文中，大胆地提出了光量子（光子）假说正确解释了光电效应，以及荧光、紫外光使气体电离等一系列有关光的产生和转化的现象．

爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，清楚地阐明了他解决问题的思路．他是从分析已有理论形式上的不对称和理论之间的矛盾出发的，目的则是为了提出一种新的假说或方法来消除这种不对称性或者矛盾，以求达到在逻辑上新的统一．他用那种高屋建瓴，直接从原有理论存在的主要矛盾出发的方式，所以在文章的一开头就气势不凡的写道：“在物理学家关于气体或其他有重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间，有着深刻的形式上的分歧．⋯⋯按照麦克斯韦理论，对于一切纯电磁现象因而也对于光来说，应当把能量看作是连续的空间函数，而按照物理学家现在的观点，一个有重客体的能量，则应当用其中原子和电子所带能量的总和来表示．一个有重物体的能量不可能分成任意多个、任意小的部分，而按照光的麦克斯韦理论（或者更一般地说，按照任何波动理论），从一个点光源发射出来的光束的能量，则是在一个不断增大的体积中连续地分布的．”这样，爱因斯坦在一开头就一针见血地指出了麦克斯韦的电磁理论和物质的原子理论之间的深刻分歧在于能量连续性和不连续性之间的矛盾．接着，他进一步指出，波动理论虽然在描述纯粹光学现象，如反射、折射、衍射、色散等等时是十分成功的，但这些观测都只同时间平均值有关，而不是同瞬时值有关，所以，当人们把这种理论应用到光的产生和转化现象上去时，这个理论会导致和经验相矛盾．原有的理论既有局限，就必须提出新的假说和理论来突破原有理论的局限，于是爱因斯坦认为，在研究诸如黑体辐射、光致发光、光电效应以及其它一些有关光的产生和转化等瞬间发生的现象时，要采用“光的能量在空间不是连续分布的这种假说来解释，”也就是说，“从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大

的空间之中，而是由个数有限的，局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来．”

根据爱因斯坦提出的光量子理论就可以对光电效应进行解释了．根据光量子理论，当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收．电子吸收光子的能量以后，能量增加，不需要积累能量的过程．如果电子吸收的能量 hν足够大，能够克服脱离原子所需要的能量（即电离能量）I 和脱离物体表面时的逸出功 W，那末电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这就是光电效应．

爱因斯坦给出的光电方程为

hν = 1 mv2 ＋I＋W

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式中 1 mv2是脱出物体的光电子的初动能．

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金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说， I 项可以略去，爱因斯坦光电方程为

hν = 1 mv2＋W

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从方程中可以得出：

  1. 光子能量 hν小于 W 时，电子不能脱出金属，因而不能产生光电效应，这就说明了为何存在红限．

  2. 光电子的能量决定于光子的频率ν，光子的频率越高，光电子的能量就越大．而光的强度只能影响光子的数目，从而成功地解释了经典理论所不能解释的光电效应．

爱因斯坦的光量子理论虽然成功地解释了光电效应，但它并没有被广大物理学家所承认．因为，一方面这一理论与经典电磁理论是完全相违背的．普朗克也认为这一理论“太过份了”甚至到 1913 年他仍持否定态度．另一方面，当时有关光电效应的实验并不精确，而且那时实际上并没有任何

实验数据能说明，在爱因斯坦推导的方程中（ 1 mv2 = Ve = hν − W），

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电位差ν与频率γ的关系是什么性质的，也不能说明式中假设的物理量 h 是否就是普朗克常数．后来密立根还举出了至少五个需要验证的预言．所以，爱因斯坦的光量子假说和光电方程，能否得到承认，关键还要经受实验的定量检验．