1.3　爱因斯坦光电效应量子论

1.3.1　爱因斯坦（A.Einstein）光电效应量子论概述

爱因斯坦在普朗克假设的基础上提出了光电效应的解释，他认为光不仅在发射和吸收过程中是以hω为单位一份一份地进行的，而且在传播过程中也是一份一份地存在着的，他称此最小能量单位为光量子，即后来所谓的光子。根据爱因斯坦理论，当光照射到金属表面时，光子和金属表面的电子直接发生作用，逸出金属表面的电子能量符合下面的方程，即爱因斯坦方程：

m=hω-W　　　（1-7）

式中，m为电子的静止质量；m为光电子最大动能；h为普朗克常数值；ω为光的角频率；W为逸出功，它和金属材料有关。

这个方程经密立根（R.Milikan）长达10年的精心实验验证，证明它在各个方面都与实验精确符合。各个方面包括红外辐射的长波段与短波段，也包括紫外段。长期以来，前人也有很多理论，如以太论、微粒子论、电磁波论等，但都有不足之处。而爱因斯坦简洁明了地解释了光电效应理论和实验现象。如式（1-7）中，当光的角频率低于ω₀=W/h时，光电子的最大初动能将成为负值，这是不可能的，这就说明存在红线频率的原因，即红外线端出现了问题。而在经典的物理学中，这是无法理解的。根据爱因斯坦的相对论：光子以光速、以量子的能量e_r 前进，则e_r为：

e_r=hν_r=m　　　（1-8）

式中，m为光子质量；ν_r为光子频率，s^-1；h为普朗克常数值，取6.624×10^-34J·s，普朗克常数这么小的数值也被密立根实验所证实。

光子也应有质量，m=hν_r/，动量为mc_r=hν_r/c_r 。光子撞击表面引起单位时间的动量的改变，将产生“辐射压力”。

1900年，普朗克提出他的定律后，有4年时间他过着风雨飘摇的生活。1905年，瑞士专利局的一位职员爱因斯坦发表了一个大胆的重大声明，即光电效应理论，使普朗克日渐衰颓的发现重获新生。4年后，爱因斯坦从专利局被调到苏黎世大学的教学行列中。爱因斯坦提出光子的不连续性，像一个粒子，即所谓的光子，即光电效应理论。该理论即是光电池、有声电影、电视、现代热像仪、现代遥感技术、微电子技术、众多现代电子技术、现代生物技术、现代量子卫星技术的理论基础。

爱因斯坦所谓的质量已被证明是能量的一种形式，爱因斯坦的公式说明，一个物质内蕴藏的能量要这样计算：用它的质量乘以光速，得数再乘以光速，见式（1-8）。这确实是一个骇人听闻的数量。原子能的量度就是这样的。投在日本的原子弹也只是发挥出它的质量中所含总能量的一小部分。这是爱因斯坦的微观想象力。

爱因斯坦说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，是知识进化的源泉。”这句话告诉我们，现在我们所拥有的一切都是先人的想象力，而我们的想象力又将构筑世界的未来。爱斯因坦还说：“提出一个问题，往往比解决一个问题更重要，因为提出的新问题是新的可能性，从新的角度去看旧的问题，都需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”

爱因斯坦是光量子论及相对论的创始人，开创了物理学的新纪元，成为世界上最伟大的物理学家、科学家。时隔光子论发表16年，他于1921年获诺贝尔物理学奖。

普朗克理论与爱因斯坦理论同等重要，普朗克和爱因斯坦同是红外辐射的诺贝尔奖获得者。

诺贝尔物理学奖获得者马克思·玻恩，把广义相对论看作是人类关于大自然的思想的最伟大成就，是哲学的深度、物理学的直觉和数学的技巧的最惊人的结合，是老物理学的大地震，对开创物理学乃至人类文明新纪元都产生了巨大的影响。

1.3.2　密立根实验验证爱因斯坦的光电效应量子论

密立根是美国著名的实验物理学家，他从1910年着手进行实验验证爱因斯坦的光电效应方程理论，因他相信热辐射的波动说，因此，对爱因斯坦理论半信半疑。他设计了一个精密的实验装置，采用了有效的方法获得了单种频率光辐射，以及解决了金属电极表面的电位差问题，为了能在没有氧化物薄膜的电极表面上同时测量真空中的光电效应和接触电势差，他设计了一个特殊的真空管，在这个管里安装了精密的实验设备，见图1-5。他选择了6种不同波长的单色光，得到6种不同的光电流作图，结果得到一根漂亮的直线，与爱因斯坦光电效应方程[式（1-7）]预期的结果非常吻合。他还根据这条直线的斜率求出了普朗克常数h的值（极小的值h=6.624×10^-34J·s，是小数点后33个零），也与普朗克1900年从黑体辐射求得的数值符合得极好。密立根用长达10年的时间，用极出色的精密测量证实了爱因斯坦的光电效应方程论。因此，他于1923年获诺贝尔物理学奖。

图1-5　密立根的精密实验装置

与整个传热学的导热、对流相比，狭小的红外领域就有3位获诺贝尔物理学奖的人，可见红外辐射的重要性。

从1760年兰贝特定律的问世，到1900年普朗克定律的出现并获红外辐射诺贝尔奖，跨越了两个世纪共140年。1921年，爱因斯坦光电效应量子论亦获红外辐射诺贝尔奖。但至今还不能以光量子理论或电磁波动理论的任何一种解释清所有的实验观察结果。因此，人们称辐射具有双重性。

1.3.3　潘建伟世界领跑的中华“科圣”量子卫星

2017年12月19日，国际顶尖学术期刊《自然》称：在过去一年里对科学产生重大影响的十人，中国科学技术大学教授、“墨子号”量子科学卫星首席科学家潘建伟上榜，《自然》以“量子之父”为题报道了潘建伟。

量子密码通信的理论模式是，发送方首先将用于解读密码文的“密匙”信息写入一粒量子并发送给接收方，这种方法叫作“量子密钥分配（QKD）”。量子通讯用最小的光量子做信息载体，无法被分割，恰好量子又有无法被复制的特性，所以窃取信息的人无法复制信息与分割信息，保证了信息的安全。这就是量子通讯最基本的特点和优点。现世界上发达国家对量子卫星还处于实验室状态。

我国第一颗量子卫星命名为“墨子号”量子卫星，该卫星已在地球表面能传输千公里。

1701年牛顿提出了对流换热的冷却定律，1882年傅里叶提出了导热基本定律，而黑体辐射定律出现于1900年，并于1918年获诺贝尔物理奖。爱因斯坦量子论始于1905年，并于1921年获诺贝尔物理奖。密立根对爱因斯坦光量子论的实验验证始于1910年，1923年获诺贝尔物理奖。2017年，潘建伟世界领跑的“墨子号”量子卫星遨翔太空。

光量子辐射飞越浩瀚的天空疾如闪电，人们煞费苦心所获得的种种梦想，使我们逐渐辨认出人类精神的发现。正如爱因斯坦所说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，是知识进化的源泉”。