§3 光电效应

第二个问题是光电效应的规律。

从 19 世纪末到 20 世纪初的几年中，物理学家发现一个重要的新现象， 金属板在紫外线照射下会发射电子，这个现象称为光电效应，这样发射的电子称为光电子。经典物理学认为紫外线是波长很短的电磁波，金属板受到电磁波照射时，从电磁波中接收到能量，而这个能量的大小则取决于电磁波的强度。当金属板中电子接收到的能量超过电子从金属板中脱出来所需要的能量时，就会从金属板中脱出而表现为光电子。这样光电子的发射应该与入射光的频率没有直接关系，而光电子的能量则应该直接由光的强度所决定。按照这样的光电子产生机理，如果入射光的强度很弱，只要照射的时间足够长， 电子吸收的能量也可以积累到足以从金属板中脱出而成为光电子。然而光电效应的实验显示出：对于确定的金属板，用频率低于某个阈频率的电磁波照射时，无论其强度多么大，无论照射的时间多么长，都不会产生光电子；但用频率高于该阈频率的电磁波照射时，不论电磁波的强度多么小，都会立即产生光电子，光电子的能量由电磁波的频率决定，光电流的强度正比于照射电磁波的强度。光电效应的这些实验规律性和经典物理学理论的预期完全不符。

1905 年，爱因斯坦发展了普朗克的量子理论，对光电效应的规律在量子理论的基础上给以解释。爱因斯坦认为，不仅电磁辐射的发射是按照最小能量单位的整数倍进行的，而且在电磁波的传播过程和被吸收时，也都是按照这个最小能量单位的整数倍进行的，这个电磁波的最小能量单位的实体就称为光量子。当电磁波照射到金属板上时，金属板上接收到的是大量光量子。如果电磁波的频率较低，一个光量子的能量小于电子从金属板中脱出所需要的能量时，电子吸收了一个光量子后也不能从金属板中脱出而表现为光电子，这样就没有光电流出现。如果电磁波的频率较高，一个光量子的能量大于电子从金属板中脱出所需要的能量时，电子吸收了一个光量子后就能从金属板中脱出而表现为光电子，这样就有光电流出现。当然，在这时入射电磁波的频率越高，光电子的能量越大；入射电磁波的强度越大，光电流的强度也越大，爱因斯坦关于光电效应的光量子理论很好地解释了光电效应的实验规律。

按照经典物理学的观念，带电物体和电流的周围空间中充满了电磁场， 在空间每一点都有一定的电场强度和一定的磁场强度。如果有一个带电粒子作简谐振动，就将造成周围的电场强度和磁场强度周期性地变化，这种电磁场的周期性变化传播出去，就是辐射电磁波，通过电磁波把能量传送出去。简谐振动的频率就是辐射电磁波的频率，简谐振动的振幅大小决定辐射电磁波的强弱。如果发射电磁波的带电粒子的振动减弱，电磁波的强度也就随之减弱，通过电磁波传送出去的能量也就减少，原则上可以连续地减弱到零。按照普朗克和爱因斯坦的量子理论，电磁波不仅仅是电磁场周期性变化的传播，而且电磁波的发射、传播和吸收的能量都是不连续的，它有一个最小单元，称为光量子，电磁波的发射和吸收都是按光量子为单位来进行的。电磁波有双重属性：电磁波是波动，具有波长、频率、位相传播速度等属性，同时电磁波由光量子组成，光量子是微粒，具有动量、能量、速度等属性，电磁波的这两方面的属性是紧密联系的。