31. 解析光电效应

    侯工

    以前人们觉得光电效应是一个神奇的现象。所谓光电效应，是指在高于某特定频率的光照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流。

    光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，人们因此认为光有波粒二象性，即光既是波又是粒子。

    其实，波与粒子是矛盾的。波的传播，就像水波一样，是水的振动，水的分子并没有随着水波传播。同理，光是一种电磁波，是宇宙球面中的最小粒子振动，最小粒子也不会随着光波传播。

    既然认为光子是有质量的粒子，就不可能一边“上下（前后）”摆动，一边向“前”移动，根据最节省能量的原则，有质量的粒子的运动是走捷径的，而波动不是捷径，波动定义为质点在原地有规律的摆动，所以粒子的单向运动与波动是不可能共同进行的。

    光波遇到较小的障碍物可以绕过去，粒子就不能了。

    如果光束是由粒子组成，将光束照射于一条狭缝，通过狭缝后，在探射屏应该会观察到对应于狭缝尺寸与形状的图样。可是，实际进行这单缝实验时，探测屏显示出衍射图样，光束会被展开，狭缝越狭窄，则展开角度越大。在探测屏上显示出，在中央区域有一块比较明亮的光带，旁边衬托著两块比较暗淡的光带，说明光是波而不是粒子。

    如果光束是由粒子组成，将光束照射于两条相互平行的狭缝，则在探射屏上会观察到两个单缝图样。但实际并不是这样，在探射屏显示出一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样——波干涉效应。

以上这些实验结果意味着光是一种振动波。

    用双缝实验来检试电子的物理行为，发现电子也会发生干涉现象。1974年，皮尔·梅利，在米兰大学的物理实验室里，成功的将电子一粒一粒的发射出来。在探测屏上，他也明确地观察到干涉现象，这又是什么原因呢？

    电子是公认的粒子，但是电子运动是半奇数形式的，一边自旋一边作线性运动，这样就产生了波动。电子的波粒二像性是由电子的特殊结构和运动方式决定的，而光就没有这样的结构和运动方式，不能将电子的波粒二象性套到光的头上。

    既然没有光子，光电效应就不是由光子引起的。那么是由什么引起的？——是由光的频率引起的。

    事实上，由于电子的固有频率与光的频率产生共振，使其能量增大逸出原子而成为自由电子，从而形成光电效应。

    光电效应与光波的频率有关。马克斯·普朗克发现的普朗克关系式E=hv （h为普朗克常数，v为光波频率），将电子逸出能量 E与光波频率 v关联在一起，而与“光粒子”（质量）无关，说明光电效应是电子对光波的频率响应而导致的共振现象。同时说明光电效应不能证明光的粒子说，因为，光电效应必须要达到一定频率的光。如果存在光子，只要普通的光就可以了。

    再说，光是由电子跃迁产生的。电子由5个最小粒子构成。最小粒子是不可再分割的粒子，光子不可能小于最小粒子。如果电子在跃迁时放出光子，这些光子从何而来？如果从电子来，一个电子只能放出5个光子，那么光源很快就消耗殆尽了。

    由此可见，光电效应证明光的波动性，因为这里不需要粒子的特征——质量，只需要波动的特征——频率。在光电效应中，与粒子无关，与光的强度也无关。达到或超过一定频率阈值的光可以使电子获得逃逸所需的能量，这就是光电效应的实质。