第七期：光子（3）

海因里希·赫兹（图库图片，请勿转载）

海因里希·赫兹，这位德国物理学家，是最早发现电磁波存在并证明光也是一种电磁波的科学家。他的发现为当时关于光的本质的争论——波粒大战——提供了决定性的证据，确认了光的波动性质。

1887年，赫兹通过一系列实验观察到了电磁波的产生。他制作了一个发射器，利用两个铜球作为电容，当充电达到一定程度时，电流击穿空气产生电火花。这个过程中产生的火花实际上是电磁波的体现。赫兹进一步设计了一个接收器，一个带有小间隙的金属圆环，放置在远处。如果麦克斯韦的理论正确，电磁波应能通过空气传播并触发接收器上的火花。实验中，赫兹遮挡了所有门窗，成功观察到了微弱的火花，这标志着人类历史上第一次通过实验验证了电磁波的存在。

然而，在实验过程中，赫兹偶然发现了一种当时无法解释的现象。为了减少发射器火花的干扰并便于观察接收器火花，他用一个塑料箱子罩住接收器，并在箱子上开了一个小孔。结果发现，当接收器被箱子罩住后，火花变小了。赫兹通过使用不同材质的箱子进行实验，最终发现只有石英箱子没有影响。通过三棱镜散射火花的光，并进行一系列实验，赫兹最终确定只有紫外线和超出紫色频率的光能使接收器的火花更明显。他将这一现象命名为光电效应。石英箱子没有影响的原因是紫外线能透过石英。

1897年，汤姆森发现了电子，随后的实验发现，紫外线照射金属板时，能够将电子打出。这解释了赫兹实验中火花更明显的原因：紫外线照射使电子更加活跃，导致电子被打出。但为何只有紫外线或更高频率的光能打出电子，这一问题在当时仍是一个谜。

光电效应的现象与经典物理学的理解相悖。按照经典物理学，电磁波的能量与振幅的平方成正比，即与光强有关。然而，光电效应表明，能否打出电子与光的频率有关，而与光强无关。这一点在1905年由爱因斯坦解开。爱因斯坦提出，如果将光再次视为一系列小颗粒——即光子——就能很好地解释光电效应。每个光子的能量E等于hν，其中h是普朗克常数，ν是光的频率。这一解释阐明了为什么光电效应与光的频率有关，因为每个光子的能量与光的频率成正比。

爱因斯坦的解释不仅为光电效应提供了合理的解释，也为量子理论的发展奠定了基础。他因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的发现表明，光具有波粒二象性：当我们以波的方式探测光时，光表现出波动性质，如双缝干涉现象；当我们以粒子的方式探测光时，光表现出粒子性质，如光电效应。光子作为基本粒子之一，成为了构成世界的基本单元。

这一科学历程展示了科学知识的发展是如何在不断的探索和挑战中前进的，同时也证明了即使是被广泛接受的理论也可能需要修正或扩展，以适应新的发现和理解。

作者：妈咪说科普创作者

审核：罗会仟中国科学院物理研究所副研究员

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