（二）爱因斯坦对光电现象的解释

首先支持这个新观点的是 26 岁的爱因斯坦。1905 年，爱因斯坦在德国

《物理学年刊》（Annalen der Physik）发表了具有划时代意义的三篇论文。这些论文的每一篇都会使作者赢得名垂青史的声誉。它们的巨大影响，

远远超出自然科学的范围而深入到人类的全部思想和观念。

这个评价并不过分。1905 年在科学史上应该是比 1900 年更重要得多的一年。这里先介绍《关于光的产生和转化的一个启发性观点》这篇在量子论的发展史上具有重要作用的论文。

某些金属被光照射后放出电子的现象，在 19 世纪的最末十年中即被注意到。1902 年，德国物理学家勒纳德（Philipp E.A.von Lenard，1862—1947）

经过几年的研究，从实验中得出下面的结论： “电子的能量从光频率的一个下限值出发，随着使电子释放的光的频率

的增加而增加，而电子的能量和光的强度无关；光的强度只决定单位时间内释放出来的电子数目。”

这个关于光电效应的经验规律，用光的波动说是无法解释的。因此，古典物理学面临着一个新的挑战。

爱因斯坦在他的论文的开头部分指出：“用连续空间函数来运算的光的波动理论，在描述纯粹的光学现象时，已被证明是十分卓越的⋯⋯可是，不应当忘记，光学观测都同时间平均值有关，而不是同瞬时值有关⋯⋯当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的现象上去时，这个理论会导致和经验相矛盾。”这里“用连续空间函数来运算的光的波动理论，”就是古典物理学中的光的电磁理论，所以，爱因斯坦接着提出他的新看法：

“确实，现在在我看来，关于黑体辐射、发光致光、紫外光产生阴极射线，以及其他一些有关光的产生和转化的现象的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释，似乎就更好理解。按照这里所设想的假设，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。”

上面由爱因斯坦所表达的观点完全可以解释勒纳德的观测结果。被释放

出来的电子的能量即电子的动能为 1 m v ²，其大小仅由电子的速度ｖ决

2 e

定，它是由具有频率ν的量子［在这种情况下即是光量子（photon）］的能量（hν）传递给它的。如果ν不够大，电子的动能不足以克服金属对它的吸力，这个电子便不可能被释放出来。电子为克服金属对它的吸力而做的功，对一种特定的金属而言是固定的，因此，只有光量子具有足够的能量，即足够大的ν才能把电子释放出来，这就解释了为什么释放出电子所需的光频率，必须有一个下限值。超过这个ν的下限值，ν越大，hν越大，即电子从光量子得到的能量越大，而电子的速度ｖ也就越大。光的强度的大小，表示光量子数目的多少，只要光的频率不变，被释放出的电子数目随着光量子的多少而增减，而电子的能量并不改变。因为电子能量的大小仅仅由光的频率ν决定。爱因斯坦利用上面的设想进行计算，计算的结果和勒纳德的观测值吻合得很好。

除此之外，爱因斯坦还指出应该存在着光电效应的逆效应，“因此应当假设，一个电子的动能将用于产生许多个光能量子。”这个假设是对的，这个逆效应就是产生 X 射线，即伦琴（Wilhelm Konrad R öntgen，1845—1923）射线和γ射线的原因。20 年代初期，美国物理学家康普顿（Arthur Holly Compton，1892—1962）在中国物理学家吴有训的协助下做的一系列实验，对光的粒子性提供了进一步的证明。他用高能的 X 射线光子（X 射线的频率比紫外线还要高，因而能量也大得多）和原子外层的电子碰撞的实验来检验 X 射线光子的粒子性；在几乎对正碰撞的情况下，电子被高速地击向冲力的方向，而 X 射线光子失去其大部分能量；在侧击情况下，电子沿一定的角度发生散射，而 X 射线光子失去的能量较少，从它原来的方向发生较小的偏射；在 X 射线光子只是擦过的情况下，电子散射的角度很小，而 X 射线光子几乎

没有什么偏斜而继续前进，且只失去其原有能量的极少部分。用光量子的术语来说：它意味着在散射过程中，偏转角大的 X 射线光子将具有较小的能量，因而具有较大的波长；X 射线光子失去的能量导致电子的散射，散射后偏转角的大小和电子从 X 射线得到的能量大小有关。以上就是康普顿效应的大体内容，它对爱因斯坦提出的光量子假说是个有力的支持。

爱因斯坦把光量子学说应用在其他方面（如 1912 年在建立光化学定律上）取得的辉煌成就，我们不拟一一加以介绍。光量子说指出了在微观现象中光的粒子性，当然不像某些人说的像是又回到了牛顿的光的粒子说，而是在新的基础上涉及到物质的一个基本属性——波粒二象性，这在古典物理学中是不可想像的事。这种观点对新的量子物理学的建立是个很大促进，这本来是由普朗克开始的。但是，尽管光量子学说的提出是普朗克的量子论的胜利，但深受传统束缚的普朗克在开始时完全没有意识到这一点，直到 1913 年以前，他一直拒绝承认光量子说。这又一次证明，由科学内部积累而形成的传统，对新的思想和理论的顽固阻碍作用。