1887年的一天，德国卡尔斯鲁厄大学实验室里一位年轻教师赫兹正在摆弄实验设备，他终于发现了接收器两端间隙之间存在着微弱的“电火花”。 这个期待已久的发现“电火花”成为麦克斯韦理论的完美注脚。 从此，电磁理论这座由法拉第创立、麦克斯韦构建、赫兹登顶的大厦终于站在了物理世界的版图上，成为与牛顿力学相媲美的经典理论之一。
在测试电磁波的实验中，赫兹还对电磁波的速度、波长、反射等进行了一系列的研究，最终得出了光就是电磁波的结论。 一个人呆在角落里，是空虚而孤独的。
科学探究的游戏永远不会结束。 只要你愿意等待，总会有意想不到的惊喜。 科学思维在幕后，科学观点隐藏在台前。 你唱我登场，新旧交织。 当剧情需要的时候，还会有必要的加演。 就像赫兹给了粒子致命一击一样，也给粒子带来了绝境中求生的机会。
这一切都源于赫兹在实验中发现的一个令人费解的现象，也正是这个现象揭开了关于光粒子本质的科学探究的又一段曲折历史。
光电现象的线索——赫兹实验的新发现
在一项检查电磁波的实验中，赫兹用紫外线照射接收器，发现接收器端隙中的火花变得更亮。 1887年5月，赫兹写了一篇研究论文《论紫外线对放电的影响》。 为了找出光如何增强电火花，他使用了不同的金属材料，如铜、黄铜、铝、铁和锡作为电极片。 使用火、太阳光、弧光等不同光源进行实验，他还在光源和火花隙之间放置各种气体、液体和固体进行实验。 根据这些实验的结果，他推断出使火花显着增强的有效辐射有一个接近可见光谱的极限。 为此，他利用石英棱镜分散不同光源进行实验，发现增强火花的辐射确实是紫外线。 《论紫外线对放电的影响》成为科学史上第一篇研究光电效应的文章。 赫兹的结论：高频紫外线可以增强电火花。
对光电效应的研究
1888年，赫兹的年轻助手威廉·霍瓦克斯（ ）根据赫兹的研究证实，电火花增强的原因是放电间隙中存在带电体。 进一步的实验发现，如果用紫外线照射金属板，就会产生一股带负电的粒子从金属板向外流动。 霍瓦克斯的工作使人们从“电火花”的出现转向光改变金属电性能的过程。 他提出的电荷转移理论为后来的研究人员开辟了新的思路。 最初的光电效应因此也被称为“霍瓦克斯效应”。
此时对光电现象的研究只能是定性的，更深入的研究有赖于人们对电的微观本质的发现。
阴极射线解密“什么是电？”
当装有两个电极的玻璃管抽成真空时，两个电极之间就会施加几千伏的高压，阴极对面的玻璃壁上就会闪烁出绿色的光芒，仿佛从阴极发出了可见光。 缺失的射线，这条射线是粒子流还是电磁波？ 这引起了科学家的注意。 这也包括赫兹。 1892年，赫兹和他的另一位助手伦纳德进行了阴极射线的研究。 然而，由于真空不足，他们和许多同事一样无法检测到阴极射线的电磁偏转。 因此赫兹简单地认为阴极射线是一种特殊类型的电磁波。 然而，种种迹象表明，真相并不像赫兹想象的那么简单。 两年后，赫兹英年早逝。 伦纳德继续研究阴极射线，得出阴极射线是带负电的粒子流的结论。 最终，1897 年 JJ 汤姆森测量了带负电粒子的荷质比，成为第一个发现电子的人。 从此，人类的科学视野深入到了原子的微观领域。
电子的发现标志着现代原子物理研究的开始，也为光电效应的研究扫清了道路。
埃尔斯特和盖特尔对光电效应的研究
埃尔斯特和盖特尔首先发现不同的金属需要不同波长的光才能产生光电效应。 对于钠、钾、铷等碱金属，可见光会产生光电效应。 当JJ汤姆森发现电子时，埃尔斯特斯特也发现光电效应中产生的带负电粒子的荷质比与电子相同，从而证实光电效应中产生的带负电粒子是电子，称为光电子。
伦纳德对光电效应的研究
伦纳德解开阴极射线之谜后，又回到了光电效应的问题上。 为了加快电子的速度并测量其能量，伦纳德发明了光电管来进行定量研究。 1902年，他发表了一篇论文，介绍了他的研究成果。 伦纳德得出结论，发射的电子数量与入射光的能量成正比。 电子的速度和动能与发射的电子数量无关，只与光的波长有关。 随着波长减小，动能增加。 每种金属都对应于特定的频率。 当入射光低于该频率时，不会发生光电效应。
伦纳德对光电效应的规律了解得很清楚，但解释起来却有些困难，因为根据经典电磁理论，光波也就是电磁波的能量是由振幅（电磁场强度）和与频率无关。 光电效应是如何发挥作用的？ 光的频率是能否产生光电子的决定条件吗？ 此外，随着时间的推移，金属板应该接收更多的辐射能。 为什么光电效应与光照时间无关，并且在很短的时间内发射出光电子？
为了解释这些现象，雷纳德说：“逃逸的能量并不完全来自紫外光，而是来自特定原子的内部。紫外光仅起到激发作用，很像点燃装满子弹的枪的导火索。我发现了这个”结论很重要，因为从中我们了解到，不仅镭原子含有储存能量，其他元素的原子也储存能量，它们也可以发射辐射，当发射辐射时，原子可能会完全碎裂。” （原子碎片）裂纹---Mr. 伦纳德，你确定这不是骗局吗？）
伦纳德的观点被称为“触发理论”。 频率决定了能否发射光电子。 他将其解释为光波和电子的共振。 电磁波的能量可以积累。 伦纳德采取了不同的方法：事实上，光电子的能量来自原子。 在内部康普顿效应，电磁波仅起到激励作用。
触发理论成为经典理论下对光电效应的解释。 在当时的科学界产生了很大的影响。 直到1905年伦纳德才获得了无与伦比的诺贝尔物理学奖。 然而，就在这一年，一位不知名的专利局传奇年轻员工开始了他奇幻的科学之旅。
爱因斯坦对光电效应的解释
1905年成为爱因斯坦物理学奇迹的一年。 这一年，爱因斯坦在热力学统计、量子论和相对论三个领域发表了六篇论文。 他们每一位都可谓重量级人物，这也成就了后来的诺贝尔奖获得者。 贝尔奖评审委员会陷入了困境。 当时，量子论似乎还存在争议，相对论也难以理解，热力学统计似乎没有前两者出名。 本应在1921年颁发的诺贝尔奖，直到1922年才重新颁发给爱·爱因斯坦，原因是阐明了光电效应定律。
让我们回到 1905 年。爱因斯坦在《关于光的产生和转变的指导性观点》中写道：“事实上，在我看来，黑体辐射、光致发光、从紫外线产生阴极射线、如果通过光的能量在空间中不连续分布的假设来解释，其他一些关于光的产生和转变的观察似乎更容易理解。 根据这里设想的假设，从点光源发出的光的能量在传播过程中并不是连续分布在越来越大的空间体积中，而是由集中在空间中某些点的有限数量的能量量子组成。 这些能量量子可以移动但不能分割。 它只能被吸收或完全产生。”在论文中，爱因斯坦创造性地提出了“光量子”的概念，并用它来解释光致发光（荧光）和光电效应等现象。对于光电效应，他指出“光的能量连续分布在其所经过的空间中的普遍观点在试图解释光电现象时遇到了特别巨大的困难。”爱因斯坦进一步指出，当考虑光电子的初始动能时，将其绘制在笛卡尔坐标系中作为入射光频率的函数，得到一条直线，其斜率不依赖于所研究物质的类型，显然，斜率就是普朗克常数h。
关于光量子的问题
爱因斯坦的光量子理论基于普朗克的量子观点。 1900年，普朗克在解决黑体辐射问题时提出了电磁辐射的量子观点。 普朗克本人几乎被自己的理论吓坏了。 他谨慎保守地认为，能量量子只存在于电磁波的吸收和反射中，并不影响电磁波的连续性。 毕竟此时麦克斯韦的电磁理论方兴未艾，正在帮助很多人。 帮助研究人员拓展科学领域的视野。 如果有人敢深入研究电磁理论，哼！
将光视为光量子似乎又回到了牛顿时代的粒子论。 因此，光量子的提出遭到了更多的质疑和沉默。 甚至在光量子假说提出八年后，当普朗克、能斯特、鲁本和瓦尔堡提名爱因斯坦为普鲁士科学院院士时，他们都对爱因斯坦的光量子理论持否定态度。 提名推荐信中有这样一段话：
“总之，我们可以说，现代物理学中几乎没有一个重要问题爱因斯坦没有做出巨大的贡献。当然，他的创新思维有时会偏离目标。比如他的光量子假说，但是我们不应该过分批评他。因为，即使在最精确的科学中，也不可能在不冒任何风险的情况下提出真正的新想法。”
英国物理学家卢瑟福也持有同样的观点：“能量和频率之间这种明显的联系目前还没有可能的物理解释。”
爱因斯坦本人也持保留态度，在一封信中写道：“至于这些量子是否真的存在，我不再询问，也不再试图解释它们，因为我已经明白，我的大脑不可能完全理解它们。”
然而，一个理论正确与否，最终还是需要通过实验来检验。
密立根测量普朗克常数的实验
密立根实验装置
美国实验物理学家密立根在1916年设计了一个精确的实验来检验爱因斯坦的光电效应理论。密立根最初的想法是通过实验来否定爱因斯坦的光量子理论，但结果却出现了戏剧性的逆转。 ，光电子初始动能与光频率之间函数曲线的斜率恰好等于解释黑体辐射时的普朗克常数h。 此时，密立根仍然“严格地”相信“爱因斯坦方程的全面而严格的正确性已经得到了”。 现在说绝对肯定还为时过早。”但他承认，“当前的实验比过去所有的实验都更有说服力地证明了这一点。 如果这个方程在所有情况下都是正确的康普顿效应，那么它应该被认为是最基本和最有前途的物理学方程之一，因为它是决定所有短波电磁辐射转化为热能的方程。”
康普顿散射实验
1919年至1920年，康普顿赴英国卡文迪什实验室在汤姆森和卢瑟福的指导下做访问学者。 他进行了伽马射线散射实验，发现该实验无法用经典理论来解释。 结果。 回国后，他用单色X射线和布拉格晶体光谱仪进行了实验。 通过从不同角度测量目标周围散射互射线的波长，他发现散射波中包含波长递增的波。 这种现象就是著名的康普顿效应。 康普顿指出：散射应遵守能量守恒定律和动量守恒定律。 发射的 X 射线的较长波长证明 X 射线光子携带量子化动量。 1922年，他利用单光子与自由电子的简单碰撞理论，为这种效应提供了令人满意的理论解释。 康普顿散射实验不仅证明了微观领域守恒定律的成立，光量子的概念也再次经受住了考验。
这样，爱因斯坦的光量子假说成功地解释了光电效应和康普顿效应。 人们逐渐接受了光量子理论。 由于动量性质的确认，1926年，美国物理学家刘易斯提出光子的概念来代替光量子。
然而，光的本质仍然令人困惑，爱因斯坦直到晚年仍然对此感到担忧。 “五十年的有意识思考并没有让我更接近‘什么是光量子？’的答案。 当然，现在每个不诚实的人都认为自己知道答案，但他在欺骗自己。”
真正进行科学探究的人，都是默默前行的孤独者。 他们也很困惑，但从不害怕。 我认为支撑他们前进的力量是畅通无阻的——事实和逻辑。 真相可能离我们很远。 在事实发现和逻辑推演的道路上，不乏这些先驱者。 也许他们才是人类真正的灵魂。
附：光量子理论建立思维导图
