不可忽視的光電效應(Photoelectric effect)

最近這幾天在研讀感測器時，就憑直覺的從光感測器方面著手。在研讀的過程中，發現光感測器的原理竟是「光電效應」(Photoelectric effect)。

在日常生活中，我們身邊有太多太多的物品與光電效應有關，例如: 去便利商店買東西時，有自動門會自動開啟。傍晚時，路燈會自動點亮，或者是連酒駕時的酒精測試儀都與光電效應息息相關。然而，成功詮釋光電效應的人就是近代科學最著名的Albert Einstein。也就是因為Albert Einstein能完全詮釋光電效應的現象，1921年Albert Einstein獲得諾貝爾物理獎。有一點要知道，Albert Einstein不是因為相對論而得到諾貝爾物理獎。這一點有許多人還不是很清楚。所以，要切記。

事實上，光電效應並不是Albert Einstein發現的現象。早在1888年，在法國的物理學家Hollwachs就曾發現利用光照射在鋅板上就會有「光致電離」的現象。剛開始，我以直不懂光電效應時，我看到「光致電離」這四個字就有點困惑。終於，了解之後我是這麼解釋「光致電離」這四個字的意思。光致: 光到了金屬表面，電離: 電子就離開金屬表面。所以，顧名思義，利用光照射在金屬板上，金屬內的電子就會離開金屬表面，成為光電子(Photoelectron)。

在這現象出現之後，就有許多科學家相繼研究光與電子之間的關係。一直到，德國物理學家P. Lenard歸納整理出三點:
1. 入射光的能量與光電子成線性關係。
2. 特定的金屬要產生光電子，需要有特定頻率的入射光。
3. 光電子的動能與光頻率乘線性關係。

隨後，1900年德國物理學家M. Planck提出光粒子說的概念。他認為光如電磁波一般塊包狀，稱之為量子(Quantum)。量子就是物理量中的最小單位，是個離散值。例如: 光子就是場或波所量化的粒子。而M. Planck在量子理論中，也提出微觀世界的尺寸: Planck constant = 6.626 x 10^-34 J‧S。Planck constant與光子頻率的乘積就是光子的「動能」。方程式為E = hv 。E為光子的動能。v為光子頻率。

Albert Einstein一直相信，光是以粒子的型態出現。也是光粒子說的代表人物。他認為光是不連續的，是離散的。而他也認為頻率越高的光子越能將金屬內的電子帶出表面，而成為光電子。就算是擁有強光源，配合紅光的頻率低、波長較長(能量低)也無法產生光電子。然而，若微弱光源配合藍光的頻率高、波長較短(能量高)卻可以產生光電子。因此，要產生光電子時，與光源的強度無關，反而是與頻率有關。Albert Einstein更提出要使電子離開金屬表面時所需要的功。成為日後知名的光電方程式: E = hv –Φ。Φ稱之為功函數。 以上這些理論最後都由美國物理學家Robert Millikan所一一證實。

因此，我們再來整理一次光電效應的結論:
1.光子的動能E與光子的頻率v呈線性關係。由光電方程式: E = hv –Φ得知，光子頻率越大，光子的動能就越大。

2.光源的強弱與光子數多寡有關。例如: 光源有強有弱，有兩個光相比較時，有的光源比較強，有的光源比較弱，就代表強光源包含的光子較多，弱光源包含光子較少。

3.個別光子的頻率決定個別光子的能量。例如: 若有光源強度一樣的兩個光，一個頻率高，另一個頻率較低。頻率較高可以產生光電子，頻率較低則不行。所以也可以說頻率高的光子能量較強。

總結，Albert Einstein的光電效應為了我們目前帶來了極大的便利性，也影響我們日後生活的重大改變。但是，Albert Einstein在他有生之年似乎沒有見到這些成果所帶來的便利性。反而是在他有生之年見到了他所提出的原子彈理論，並且改變了日後國與國之間的戰爭模式。這一點是多麼大的諷刺。所以，在應用或學習科學之時，多培養文人教育也是必要的。

從這裡我也發現Albert Einstein的成功似乎也不是他完全憑空想像而來，所有的見解都是出自於前人所發現的現象。 所以，平時多培養自己獨特的想法，多發揮想像力時，更要努力厚植基礎學科，提出更多具有理論基礎的假說或假設，或許有一天也能像Albert Einstein一樣成功的詮釋尚未成熟的理論。