愛因斯坦並不是因為它的廣義相對論而獲得諾貝爾獎的,而是因為其對 光電效應的解釋獲得了1921年諾貝爾物理學獎。

光電效應

光電效應最初是赫茲在1887年發現的。光電效應的主要實驗結果有以下幾點:

  • 光照射在某一金屬表面時有可能在其中打出光電子,從而形成光電流;

  • 如果想要得到光電流,則照射光的頻率必須達到某個極限值以上,這個極限值叫做極限頻率;

  • 臨界值取決於材料的種類;

  • 發射電子的能量取決於光的波長或頻率而與光的強度無關。

是否有光電子居然和光的頻率有關,而且發射出來的電子的能量居然和光的強度無關,這和經典理論是格格不入的。但正是對這一問題的討論和解釋,促進了20世紀量子論的誕生。

量子概念的提出

第一個提出量子概念的是德國物理學家普朗克。他當時為了解釋黑體輻射的實驗數據,首先利用數學手段對黑體輻射的全頻段數據進行了很好的擬合,而這一擬合的一個前提就是要把輻射想像成是一種非連續的,一份一份的的能量子。這在當時看來是不可理解的,但正是這一概念的提出,催生了後來作為物理學革命的量子力學。

光電效應的解釋

愛因斯坦對光電效應的解釋也利用的量子的概念:如果光的能量也是一份一份的,而且這一份一份的光量子,根據普朗克的理論,是和光的頻率成正比的,比例常數便被稱為普朗克常數。以這種假設作為基礎,便不難理解愛因斯坦的光電效應方程:

1/2 mv^2 = hv - E0

其中1/2 mv^2是出射電子的最大初動能,hv是入射光子的能量,E0是金屬材料的逸出功。

有了這一方程,對照上面的實驗結果便很容易理解了。

愛因斯坦對光電效應的解釋意義遠不止於表面看到的,它同時也是催發量子革命的導火索之一。光的本質到底是波還是粒子的爭論持續了幾百年,到愛因斯坦的時代徹底達到了白熱化,並最終導致了光的波粒二象性概念的誕生。由此看來,愛因斯坦的這一工作獲得諾獎也是實至名歸了。


獲獎理由是「光電效應定律及理論物理學的其它成就」。暗含了相對論。因為當時有幾個物理獎獲得者反對相對論,甚至提出,如果愛因斯坦以相對論獲獎,他們就會「退回諾貝爾獎」。為了不惹麻煩,所以委員會做出了這樣的處理。當然,也不能說「相對論沒有獲得諾貝爾物理獎」。


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