2.2　1905年，爱因斯坦提出了光量子假设

1887年，赫兹发现紫外线照射到某种金属板上，可以将金属中的电子打出来（见图2.5），这种光产生电的效应称之为光电效应。

图2.5　光电效应

当人们用电磁波理论解释光电效应时却遇到了严重困难：

（1）按电磁波理论，只要光强足够，任何频率的光都能打出电子，可是实验结果是再强的可见光也打不出电子，而很弱的紫外线就可以打出电子；

（2）按电磁波理论，10-3s后才能打出电子，可实验结果是10-9s即可打出电子；

（3）按电磁波理论，被打出的电子的动能与光强有关而与频率无关，可实验结果却是电子的能量与光强无关而与光的频率成正比。

爱因斯坦受普朗克的能量量子化假设的启发，提出了光量子假设。他认为，如果把一份份的能量量子看作粒子，光通过具有粒子性的能量量子进行传播并与物质发生相互作用，则光电效应问题迎刃而解。

图2.6　爱因斯坦

1905年，爱因斯坦发表了阐述这一观点的论文《关于光的产生与转化的一个试探性观点》。他在论文中写道：“在我看来，关于黑体辐射、光致发光、光电效应以及其他一些有关光的产生和转化现象的实验，如果用光的能量在空间不是连续分布的这种假设来解释，似乎就更好理解。按照我的假设，从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量子所组成，这些能量量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地吸收或产生出来”。

爱因斯坦将这种光的能量粒子称为光量子，后来人们改称为光子。光子学说可以很好地解释光电效应。因为每一个光子的能量都固定为hν，那么光照射到金属表面，金属所受到的打击主要取决于单个光子的能量而不是光的强度，光的强度只决定光子流的密度而已。

打个比方来说，光子就是子弹，能否打穿钢板只取决于子弹的动能，而与子弹的发射密度无关。如果是大口径步枪，一颗子弹就能击穿钢板，如果是玩具手枪射出的塑料子弹，一百把手枪同时发射也打不穿钢板。

在光电效应实验中，紫外线就是大口径步枪的子弹，可见光就是玩具枪的子弹，所以很弱的紫外线就可打出电子，而再强的可见光也打不出电子，因为可见光的强度高只不过意味着塑料子弹密集发射而已。因为光子能量是hν，所以被光子打出来的电子动能就与光的频率ν成正比，而与光强无关。