物理史

馬克斯威爾在建立電磁學理論的時候，就已經指出光是一種電磁波了。

而在二十世紀初，有個叫做列納的傢伙，

他做了一個實驗，

它在一個真空管中放入一個金屬靶以及一個收集電極，

當他以紫外線照射金屬靶的時候，他發現金屬靶會放出光電子，

並流向收集電極，而他在金屬靶及收集電極之間，

又接上一個電源，這個電源的電壓是可以調整的，

當電壓是負的時候，就可以阻止光電子的運動，使光電流減少，

當這個電壓大到光電磁消失的時候，就稱這個電壓叫做截止電壓。

這種現象稱為光電效應。

列納他發現這個光電效應，有幾個很有趣的特性：

1. 照射的光的頻率必須要大於某個值，才會產生光電流，這個頻率叫做底限頻率。

當頻率小於底限頻率的時候，不管你的光的強度再強，也不會產生光電流。

2. 只要照射光的頻率大於底線頻率，光的強度再弱也會產生光電流。

3. 用不同強度的單色光(即頻率相同)去照射，會發現光電流和照射光的強度成正比，

但是截止電壓和強度卻沒有任何關係。

這幾個有趣的特性對當時的科學家來說是個很頭大的問題，

因為當時由馬克斯威爾的理論已經確定了光是電磁波，

所以當光照射金屬表面的時候，也就會帶來震盪的電場與磁場，

而電場的振幅只和光的強度有關，和光的頻率沒有關係，

所以照道理來說只要時間夠長的話，電子受電場作用的時間夠長，

那就可以讓電子克服束縛力產生光電子，但結果卻非如此。

而當光的強度加大，電場的振幅也就加大，

電子受到比較大的電場作用，其動能應該也就要越大，

截止電壓應該也就會越大，但實驗結果卻說截止電壓和光的強度無關，只和頻率有關，

所以光的波動說在解釋光電效應時出現了不小的問題。

愛因斯坦提出了一個想法來解決這個問題，

就是利用之前所提過的量子概念。

愛因斯坦認為電磁波是由很多的光量子所族成，

每個光量子的能量為E=hv

光子的能量不能分割，其能量就是電磁波的最小單位，

當原子吸收或放出光的能量時，其放出的或吸收的量為整個光子能量，

換句話說，能量的變化是不連續的。

而在單色光中，所有光子頻率相同，也就是說光子能量都相同，

所以光的強度越強代表的是單位時間通某單位面積的光子越多。

當光照射金屬板，就代表有很多光子射到金屬板上，

而光子與電子的交互過程，一個光子的能量會轉到一個電子上，

而這個能量

一部分拿來拖離金屬對電子的束縛，

一部分則成為電子的動能。

在金屬表面的電子所受到的束縛最小，故他的脫離能量最小，

所以對於金屬表面的電子而言，

光的能量就可以寫成最大動能加上脫離能量，

當我們降低光的頻率，動能也就會越來越小，

當動能為零的時候，就沒有光電子產生了，

此時的光頻率就是底限頻率。

如此就圓滿的解釋了光電效應了。

至此，除了馬克斯威爾的光是電磁波，即光有波動性，

愛因斯坦也確立了光具有粒子性，

所以光子同時具有波動與粒子的兩種特性。