海因里希·赫茲（圖庫圖片，請勿轉(zhuǎn)載）

海因里希·赫茲，這位德國物理學(xué)家，是最早發(fā)現(xiàn)電磁波存在并證明光也是一種電磁波的科學(xué)家。他的發(fā)現(xiàn)為當(dāng)時關(guān)于光的本質(zhì)的爭論——波粒大戰(zhàn)——提供了決定性的證據(jù)，確認了光的波動性質(zhì)。

1887年，赫茲通過一系列實驗觀察到了電磁波的產(chǎn)生。他制作了一個發(fā)射器，利用兩個銅球作為電容，當(dāng)充電達到一定程度時，電流擊穿空氣產(chǎn)生電火花。這個過程中產(chǎn)生的火花實際上是電磁波的體現(xiàn)。赫茲進一步設(shè)計了一個接收器，一個帶有小間隙的金屬圓環(huán)，放置在遠處。如果麥克斯韋的理論正確，電磁波應(yīng)能通過空氣傳播并觸發(fā)接收器上的火花。實驗中，赫茲遮擋了所有門窗，成功觀察到了微弱的火花，這標志著人類歷史上第一次通過實驗驗證了電磁波的存在。

然而，在實驗過程中，赫茲偶然發(fā)現(xiàn)了一種當(dāng)時無法解釋的現(xiàn)象。為了減少發(fā)射器火花的干擾并便于觀察接收器火花，他用一個塑料箱子罩住接收器，并在箱子上開了一個小孔。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接收器被箱子罩住后，火花變小了。赫茲通過使用不同材質(zhì)的箱子進行實驗，最終發(fā)現(xiàn)只有石英箱子沒有影響。通過三棱鏡散射火花的光，并進行一系列實驗，赫茲最終確定只有紫外線和超出紫色頻率的光能使接收器的火花更明顯。他將這一現(xiàn)象命名為光電效應(yīng)。石英箱子沒有影響的原因是紫外線能透過石英。

1897年，湯姆森發(fā)現(xiàn)了電子，隨后的實驗發(fā)現(xiàn)，紫外線照射金屬板時，能夠?qū)㈦娮哟虺觥＿@解釋了赫茲實驗中火花更明顯的原因：紫外線照射使電子更加活躍，導(dǎo)致電子被打出。但為何只有紫外線或更高頻率的光能打出電子，這一問題在當(dāng)時仍是一個謎。

光電效應(yīng)的現(xiàn)象與經(jīng)典物理學(xué)的理解相悖。按照經(jīng)典物理學(xué)，電磁波的能量與振幅的平方成正比，即與光強有關(guān)。然而，光電效應(yīng)表明，能否打出電子與光的頻率有關(guān)，而與光強無關(guān)。這一點在1905年由愛因斯坦解開。愛因斯坦提出，如果將光再次視為一系列小顆粒——即光子——就能很好地解釋光電效應(yīng)。每個光子的能量E等于hν，其中h是普朗克常數(shù)，ν是光的頻率。這一解釋闡明了為什么光電效應(yīng)與光的頻率有關(guān)，因為每個光子的能量與光的頻率成正比。

愛因斯坦的解釋不僅為光電效應(yīng)提供了合理的解釋，也為量子理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)表明，光具有波粒二象性：當(dāng)我們以波的方式探測光時，光表現(xiàn)出波動性質(zhì)，如雙縫干涉現(xiàn)象；當(dāng)我們以粒子的方式探測光時，光表現(xiàn)出粒子性質(zhì)，如光電效應(yīng)。光子作為基本粒子之一，成為了構(gòu)成世界的基本單元。

這一科學(xué)歷程展示了科學(xué)知識的發(fā)展是如何在不斷的探索和挑戰(zhàn)中前進的，同時也證明了即使是被廣泛接受的理論也可能需要修正或擴展，以適應(yīng)新的發(fā)現(xiàn)和理解。

作者：媽咪說科普創(chuàng)作者

審核：羅會仟中國科學(xué)院物理研究所副研究員

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來源: 星空計劃

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