日期：2014-10-08 18:51:09

　　在认识光电效应之前，让我们首先来探寻一下那位与光共舞多年的默契舞伴——电流——的本质。沿着时间之轴回溯五十年，十九世纪中期，各国研究人员纷纷观察到：对装有电极的真空管施加电压后，在真空管阴极一端的玻璃壁上会透出墨绿的荧光。有趣的是，针对这一现象的诠释与光一样分作两派：德国学者普遍支持波动假说，认为这种从无中创生的“阴极射线”即是振荡的“以太波”；而多数英、法学者则坚信所谓“阴极射线”其实是一股在电势差激发下孕育的粒子流。波，还是粒子？双方各有理论基础，却又都拿不出有力证据，一争就是数十年，直到1897年，时任卡文迪许实验室主任的约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson，通常被唤作“J·J·汤姆逊”）利用电磁相互平衡的特性设计出一个精彩的实验，向人们揭示了绿光背后的真相。

　　如图便是汤姆逊的实验装置，令阴极射线水平地穿入匀强电场，你将发现：不论玻瓶转成何种角度，射线总是朝着阳极板一方靠拢。而依据法拉第电磁理论，移动的带电粒子其周围必定存在电磁场，此时，若在粒子的必经之路上额外施加一个电场或磁场，二场相互作用必定会使粒子的运动状态发生改变。一切恰相吻合，因而汤姆逊断言：阴极射线正是“带负电的粒子流”。以一个精致而明晰的实验即破解了阴极射线的身份之谜，这已令人叫绝，但汤姆逊并不满足于此，紧接着，他又在粒子的运行轨道上同时施加电场与磁场，借助两者之间相互牵制的博弈关系精确测定出单个粒子的荷质比（即：电荷e与质量m之商）。

　　据学生们后来回忆，导师J·J·汤姆逊并不是一个长于动手的人，其操作技能笨拙到常常令自己都抓狂不已，但他却凭借超凡的洞察力牢牢把握住了宏大的电磁理论与眼前的细微现象之间的隐秘联系，不但一举驳倒了“以太波”猜想，更为人类带来一份世纪大礼——史上第一把开启“亚原子”宝库的钥匙。同时，发现电子也为汤姆逊带来了极高的学术声誉，作为卡文迪许的第三任船长，他调用自己强大的影响力向八方才俊伸出橄榄枝，将欧内斯特·卢瑟福、查尔斯·威尔逊等潜力选手一一招至麾下；并不负众望地率领船队沿着大师麦克斯韦手绘的航线风雨兼程、破浪而行；眨眼三十四年过去了，不仅当年经他点拨的诸位学子都渐次成长为实验派各分支的领路人，卡文迪许也一步步从英格兰的No.1破茧而出、蜕变作全世界的No.1，其科研实力至今仍在地球上名列前茅。回望那段征程，可以说，目光远大的老船长功不可没。

　　日期：2014-10-09 17:29:50
　　现在，让我们重新站到十九世纪的尾巴尖儿。此时，藏在阴极射线中的微小颗粒终于暴露了真身，作为首枚被捕获的带电粒子，它为自己赢得了“电子”这一法号。但请不要忘记，电子是在粒子与波的纠葛之中登上历史舞台的，它的命运注定要与这段争斗密切相连。而今，既然光的小伙伴姓名已定，让我们再次将注意力移回赫兹的电磁波实验上来。
　　上节说到，当窗外的阳光照射于接收器时，不知什么原因，原本游曳在金属表面的电子就会离开铜球，逃窜到空气当中，由此形成了更为明亮的电火花。研究人员采用不同频段的单色光继续深入实验，进而得出如下两条规律：第一，对于某种特定的金属来说，其表面能否打出电子，以及电子受激发之后离开金属表面的飞行速率，皆取决于单色光的固有频率。第二，调节光的强弱，仅只能够增加或减少逸出电子的数量。

　　这与电磁理论岂不是自相矛盾？如果说光是一列波，其强弱程度所展示的应该是波的能量大小，而频率所对应的则是该列波往复振荡的快慢。因此，频率较低的波，只要我们不断增加其强度，当能量突破临界值，就应该从金属表面将电子冲击出来呀。而改变波的频率（例如：把红光换成强度相同的紫光），由于相同时间之内包含着更多对波峰波谷，所以它对金属表面的撞击更频繁，逸出的电子数量应该增多才对。可事实却告诉我们：以低频的单色光照射某种金属，如果起初无法与其表面的交换电子；那么无论光的强度加码多少倍，也无法检测到一粒逸出电子。而高频的单色光却始终能与电子互动，当不断降低其强度，金属表面逸出的电子就从连续的一束变作游离的一丝；进一步将光线调弱，原先的电子流竟化作粒粒“霰弹”朝着虚空奔涌；随着强度一再下降，最后，你将每隔一段时间才能观察到一粒电子挣脱金属的桎梏冲向远方！

　　粒子幽灵再次出没，它破坏了麦克斯韦波优美的连续性，一把将我们拽回到跳跃的点阵王国。1905年，二十六岁的阿尔伯特?爱因斯坦只身探入光与电的迷域，思索良久，他终于恍然大悟：只需把光拆解成与电子同一形态的颗粒状物，所有疑团都将自动碎裂。在光电效应引发的一系列现象中，如若我们不把光当做绵延的波纹，而将其看做一粒粒有确定大小的“波包”，或称“光量子”；则可以认为，具有特定频率ν的单色光在每个波包当中都贮藏着一份能量E。当以该单色光照射金属表面时，波包中的光量子将有机会与其身量相当的电子相互碰撞，从而将能量E传递给不安分的电子，令其离开自己的岗位扩散到空气之中。这样一来，由于E值恒定，每个被撞击的电子所获得的能量都一样，因此所有电子的逃逸速率都相同；而此时，如果增加光照强度，则意味着有更多的光量子与金属相互作用，结果将释放出更多的电子；只有改变光的频率ν（即：更换另一种单色光）才能改变波包中的E值，从而改变电子的运动速率。

　　注：固定频率、强度降低的过程中单个电子在空气中的飞行速率并没有改变，之所以从“电子流”化作“霰弹”，完全是因为单位时间内逃出金属牢笼的电子数量在下降；就好像当你不断拧紧龙头，水流从喷泉变成雨滴，但单个水分子由于所受重力不变，其下落速率并没有变化
　　日期：2014-10-10 18:51:41
　　不同于爱因斯坦的其他理论——它们在发表之初由于太过艰涩一时鲜有问津者——这位天才对光电效应的诠释一经公布，就由于其对光束粗粝的“切割”手法与圆滑、流畅的麦克斯韦波表面上是如此水火不容，即刻就为他招来一片反驳之声。对立者当中有一位来自美国芝加哥大学的实验高手罗伯特·密立根（Robert Millikan），他决定设计一个精细的实验来证明爱因斯坦的荒谬。密立根从此埋头于光电之间，为获取准确数据，他排除了一类又一类的干扰项：增加光电阴极的温度，逸出电子的能量E并不会随之变化；而所谓的“光电疲劳”现象是因为光电管中渗入了空气，致使阴极一端被氧化而造成的数据偏差……最终，在光量子猜想诞生的第十一个年头，1916年，密立根不得不承认，只有按照爱因斯坦提出的模型，光与电之间的交互作用才能得到最合理解释。虽然结果与初衷背道而驰，密立根绕着地球狂奔了整整一圈，却发现终点原来与自己近在迟尺，但漫长的探索之路上他收获的惊喜足以冲淡那些微的失落，他将传奇的“普朗克常量”h定量测出，从而以实验的方式确证了能量的“颗粒性”。更为有趣的是，尽管密立根一生在科研领域涉猎广泛、成果丰厚，但他于1923年接过诺贝尔奖牌的理由却恰恰是“验证光子的存在及测定电子电荷”。