光电效应 光电效应的现象是指，当特定频率的光照射到金属表面时，金属会发射出电子的现象。这是实验观察的起点。 首先，我们从经典物理学（20世纪前的理论）的视角来看。当时已知光是一种电磁波，其能量由波动的强度（即振幅）决定，与频率无关。按照此理论预测： 无论何种频率的光，只要强度足够大，照射到金属上就应该能提供能量将电子“打”出来。 从光照开始到电子逸出，可能需要一段能量累积的时间。 然而，实验观察到的现象与这些预测完全矛盾： 对每种金属，都存在一个确定的“截止频率”。低于这个频率的光，无论强度多高，都无法激发出任何电子。 高于截止频率的光，即使强度很弱，也能立即激发出电子，几乎没有时间延迟。 逸出电子的最大动能，只与入射光的频率呈线性关系，而与光的强度无关。强度只影响逸出电子的数量。 这些无法调和的矛盾，构成了“物理学天空中的一朵乌云”，经典理论在此彻底失效。 1905年，爱因斯坦提出了革命性的解释。他借鉴了普朗克的量子化思想，但走得更远。他假设： 光本身的能量不是连续分布的，而是被“量子化”的，即一束光由无数“光量子”（后称光子）组成。 每个光子的能量（E）由其频率（ν）严格决定，关系为 E = hν，其中h是普朗克常数。 光电效应过程，本质上是单个光子与金属中单个电子的一次性碰撞。光子将全部能量hν一次性交给电子。 基于此模型，解释实验现象就变得清晰： 截止频率 ：电子要从金属中挣脱，需要克服金属对它的束缚力（这个最小束缚能称为“逸出功W”）。只有当光子能量 hν > W 时，电子才可能逸出。截止频率 ν₀ 满足 hν₀ = W。 瞬时性 ：能量交换是“单光子-单电子”的瞬时过程，无需累积时间。 动能关系 ：电子吸收光子能量hν后，一部分用于克服逸出功W，剩余部分则转化为电子的最大初动能 (1/2)mv²。由此得到爱因斯坦光电效应方程： hν = W + (1/2)mv² 。这直接解释了电子最大动能与频率的线性关系。 强度作用 ：光强增大，意味着光子数量增多，因此被打出的电子数量也增多，但每个电子的能量仍由单个光子的频率决定。 爱因斯坦的理论是量子论发展的关键一步，它揭示了光的“波粒二象性”中“粒子性”的一面。1916年，密立根通过精密的实验验证了爱因斯坦方程，并精确测定了普朗克常数h。爱因斯坦也因“对理论物理学的贡献，特别是发现了光电效应的原理”而获得1921年诺贝尔物理学奖。