愛因斯坦1905 年的三大貢獻：愛因斯坦與光電效應

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦與光電效應 (Photoelectric Effect)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1887 年時，德國物理學家 Heinrich Hertz 觀察到，將紫外光束照射到金屬板時會迸出火花。

Photo Credit: The American Institute of Physics

金屬是良導體，電子和原子的連結較為鬆散，若突然遇到外來的能量就會分開，所以放出電子並不足為奇。但令人困惑的是，不同的金屬要放出電子所需要光的最低頻率並不相同，而增加光的強度只會產生更多的電子，無法增加外逸電子的能量；當增加光的頻率雖然可以產生更高能量的電子，卻無法增加電子的數目，這就是後來眾所周知的光電效應，但卻一直等到 1905 年時靠著一位叫愛因斯坦的年輕科學家，我們才得以理解其中的道理。當時愛因斯坦 26 歲。

愛因斯坦於四、五歲第一次看到磁鐵羅盤後便對科學深感興趣，他著迷於讓羅盤針總是指向北方的那看不見的力量，也深信每個現象都「深深地隱藏著什麼」。因此，他窮極一生致力於解開宇宙中深不可測的奧秘。

現在，形容一個人是「愛因斯坦」意謂著他是天才的意思，但是愛因斯坦的父母多年來卻都認為自己的兒子有些「遲緩」，因為他講話總是吞吞吐吐的，在學校的表現並不傑出。其實，愛因斯坦只是對於學校強調死背，與對權威盲從的制式教育方式感到厭煩而已，他寧可自己在家研習數學、物理與哲學。

後來他曾說：「現代的教育方式沒有完全抹殺了真摯的好奇心與探究慾真是不可思議，因為我這棵脆弱的小樹所最需要的，除了啟發外，就是自由了。」

愛因斯坦在參加知名的瑞士聯邦理工學院考試落榜後，就讀於 Aarau 當地的一所瑞士學校，就在那裡，他找到了啟發和自由。這是他求學生涯的第一次，老師讓他完全自由地去追求他的理想，因此，愛因斯坦能傾全力研讀馬克士威的電磁學理論，在那個世紀交替的年代幾乎沒有大學開這門課。

後來，他又到蘇黎世的理工學院主修物理，不過畢業時成績平平，因此無法在大學謀得數理科的教職，只好到伯恩的專利局當職員，利用業餘時間研究理論物理。此外，他和一群朋友合組「奧林匹亞學院」(Olympia Academy)，（譯者按：有暗諷當時主導科學界的學術機構之意。）空暇時碰面讀書，討論科學的書籍等。

1905 年 3 月，愛因斯坦發表論文解釋光電效應時，他仍是瑞士專利局的一個小職員。在此前五年，蒲朗克就已解決了黑體輻射的問題，他證明，組成黑體表面的原子只能吸收或放射已被「量子化」的輻射，因此，每個量子的能量是輻射頻率乘以一個新常數的整數倍。

蒲朗克(Planck)認為他的量子理論只是為了讓理論符合實驗的數學「技巧」，但是愛因斯坦將其延伸到光上面（蒲朗克認為只有原子的震動才可以量子化）。愛因斯坦說，光是一束粒子，根據蒲朗克的公式，它的能量和頻率有關。當一束光粒子照射在金屬上時，光子和原子會相互碰撞，當光子的頻率足以撞出電子時，那麼這個撞擊就會產生光電效應。光粒子所帶的能量和光波頻率成比例；光波的頻率則取決於粒子的能量。

愛因斯坦因此光電效應的研究獲得了 1921 年的諾貝爾物理獎，但這只是開始而已。