五、光电效应

把光照射到金属表面(例如锌板)，就会发生电流效应(见图1-17)，这一效应被称为光电效应。光电效应是如何发生的呢？

图1-17 光电效应

首先光电效应产生的原理是，光把原子中的电子敲出了原子空间，在电子脱离了原子核的束缚跑到空间中后，就裸露出了一个正电场，因此就产生出了电磁场的移动——电流。

按照当时观点，是把光当成波来处理的。例如，你可以把波对电子的冲击想象成海浪对沙滩上石子的冲击。这样光的强度(如同海浪的强度)越大，被撞出的电子也就越多，因此产生出的电流也就越大。

然而人们通过实际检测到的情况却不是这样的，人们观察到的情况是：让金属产生电流的光的频率存在一个阈值，凡是在这个阈值下，无论你施加多大强度的辐射量，都不会产生电流。在阈值之上，只要很少量的电磁辐射，就会产生电流。例如：红色光的频率较低，如果你把一块金属放在火热的炉子旁边烤，即红光的辐射量很大，金属中也未出现任何电流。如果只是用少量的紫光去照射金属，那么瞬间就会出现电流。就是说，当把光认定为波时，无法解释光电效应中为什么会存在这么一个阈值。

在1905年，爱因斯坦借鉴了普朗克关于电磁波是以一份一份发出的见解，提出如果把光想象成是一个一个的粒子，那么光电效应的反常现象就获得了合理的解释。解释如下：你可以想象沙滩上存在的是一个一个的如铅球一样的电子，把低频率的红色光子想象成一个一个的乒乓球，那么无论多少乒乓球撞向铅球，因为其单个的能量很小，因此即便再多的乒乓球也无法将一个铅球敲出沙滩坑外。但如果是一个带有高能量的高频率光子，例如紫色光，那么每一个紫色光子都如同是一个铅球，因此只是一个铅球就可以将沙滩上的另一个铅球敲出坑外。

因此，火炉即便很热，它所辐射出的都是低频率(低能量)的光子，是无法产生电流的。同时，即便是你用很少量的紫光去照射金属，也会产生电流效应。例如，就算是在阴天情况下，阳光中辐射过来的一部分高频率的光子，也会发生光电效应。

虽然爱因斯坦在1921年因光电效应论文获得了诺贝尔奖，但是直到1926年，当大量的实验证据支持爱因斯坦之后，科学家才正式将“光”取名为“光子”。

最近几年，哈佛大学的莉娜·豪博士通过将激光聚焦到两个微小的钠气体云的方式，首次让我们看到光子的模样(见图1-18)。

图1-18 钠气体云中的光子实际上，我们的眼睛就是最好的、最精确的光子探测器，即光电效应发生器。例如：无论何时，当你看到一个物体时，都会发生如下过程：一个光子撞击到了在你眼中的视紫红质中的11-顺视黄醛分子，引发它的构型发生改变。这个过程就像是在光电效应中，一个光子撞出了原子中的一个电子，电子逃离质子后，质子就裸露出了一个正电场，当类似的电场经过累积达到一个阈值时，就会引发神经细胞爆发一次动作电位。由此，这个动作电位像骨牌效应的波一样(注意：神经细胞以及其中的电子、质子并没有移动，移动的是电场，而电场不是一个东西，只是一段信息)，通过神经细胞间一系列的传导——传递，继而激发了你后脑脑皮层视觉细胞时，突然你就看到了这段文字。当其进一步激发大脑皮层其他部分时，就会让你思考这段文字所表达的深意。

因此，爱因斯坦对光电效应的解释无可辩驳地证明，在光从光源发出时，是以一个一个的粒子形式发出的。例如一只100瓦的白炽灯，在一秒钟内就会发射出2500亿亿个光子(见图1-19)。

图1-19 一只100瓦的白炽灯，在一秒钟内就会发射出2500亿亿个光子六、哥本哈根诠释

自从普朗克提出辐射是以一个一个的量子方式发射以来，对于“光到底是什么”或者说“光到底有什么特性”，科学界经过将近30年的争论——主要是爱因斯坦与尼尔斯·玻尔之间的争论和新的理论提出——在1927年，由丹麦科学家尼尔斯·玻尔在丹麦首都哥本哈根提出了对光、或者说对量子世界的全新解释。这被称为哥本哈根诠释，具体解释有以下四点。为了便于理解，下面用电子和光子作为表述实验对象，其原理是等同的。