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    光明日报 2016年04月01日 星期五

    科技史话

    光的本质如何被揭示

    作者:刘尧香 《光明日报》( 2016年04月01日 10版)

        光到底是什么?寻求这个问题的答案,过程漫长而又复杂,正是对光的本质不断追寻和探讨,推动了人类文明尤其是近代物理学的发展。

        最初对于光本质的认识,主要有两大学说:微粒说和波动说。以牛顿为代表人物的微粒说,认为光是发光体所射出一颗颗像弹丸一样的粒子,就像枪打出的一发发子弹,在真空中或者均匀物质中,它们一个接一个接连不断地向周围四面八方迅速发射出来,并且高速沿直线飞行,这些粒子入眼会冲击视网膜从而引发视觉。而波动说则认为光是一种波,它与声波有着相似的性质。两大学说间的争论,从未休止,直到1905年爱因斯坦由对光电效应的解释,提出了“光子”的概念。此时的爱因斯坦还是一个一位名不见经传的瑞士专利局职员。

        光电效应即光的照射下某些物体,如金属、半导体等的表面会发射出电子,这个现象是被证明电磁波存在的赫兹发现的,而在当时无论是微粒说还是波动说,都不能给出合理解释。而爱因斯坦则成功破解了这个难题,他指出光不仅只具有波的性质,它由一群具有能量的“光子”组成,当光子到达物体表面时会将自身的能量“整份”传递给物体内部的电子,使电子能脱离束缚,在物体表面自由移动,从而形成电流。

        爱因斯坦的“光子”概念,完美解释了光电效应,并且重新定义了光的本质,揭示了光的波粒二象性,更是打下了量子力学这门重要学科的基石,这项成就让他荣登1921年诺贝尔物理学奖的宝座。

        而光电效应也正改变着世界,因为它告诉我们,只要有光,就可以发电。这对于现代人类世界来说,意义重大,因为生活离不开电。少数发达国家人均每年用电已达1万千瓦时以上。1万千瓦时电约等于1.229吨标准煤,而太阳作为我们最大的光源,每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤。如何把这天然能源利用起来?科学家发明了太阳能电池,利用光电效应将太阳能直接转化为电能。

        现在,手机、相机的感光元件、闪光灯、太阳能路灯……生活中已充满了利用光电效应制作的光电器件,它们无处不在。科学就在你我身边,只要你的双眼善于发现。

        (作者单位:中国科学院上海光学精密机械研究所)

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