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为什么会被阳光晒伤？光有能量的话，为什么照日光灯没事？

唉!好晒呀!前两集，一些观众发现我晒黑了。

市面上，美白、防晒广告亦随处可见，不过，为什么我们会被阳光晒伤呢?却又好像没听过被日光灯晒伤的事情?

事实上，这也跟量子力学有关，而且和我们今天的主题密切连结。

之前我们讨论到量子概念在历史上的起点，接下来，我们会进一步说明，量子概念是如何被发扬光大，以及那个男人的故事。

光电效应

在量子力学发展过程中，光电效应的研究是非常重要的转捩点。

光电效应指的是，当一定频率以上的光或电磁波照射在特定材料上，会使得材料发射出电子的现象。

在 19 世纪后期，科学家就已经发现某个奇特的现象：使用光（尤其是紫外线）照射带负电的金属板，会使金属板的负电消失。但当时他们并不清楚背后原理，只猜测周遭气体可能在紫外线的照射下，辅助带负电的粒子从金属板离开。

光电效应示意图。图/wikimedia

于是 1899 年，知名的英国物理学家 J. J. 汤姆森将锌板放置在低压汞气之中，并照射紫外线，来研究汞气如何帮助锌板释放负电荷，却察觉这些电荷的性质，跟他在两年前（1897 年）从放射线研究中发现的粒子很像。

它们是比氢原子要轻约一千倍、带负电的微小粒子，也就是我们现在称呼的电子。

1902 年，德国物理学家莱纳德发现，即使是在抽真空的玻璃管内，只要照射一定频率以上的光，两极之间便会有电流通过，电流大小跟光的强度成正比，而将光线移除之后，电流也瞬间消失。

到此，我们所熟知的光电效应概念才算完整成型。

这边听起来好像没什么问题?然而，若不用现在的量子理论，只依靠当时的物理知识，很难完美解释光电效应。因为根据传统理论，光的能量多寡应该和光的强度有关，而不是光的频率。

如果是光线把能量传给电子，让电子脱离金属板，那为什么需要一定频率以上的光线才有用呢?比如我们拿同样强度的紫外线跟红外线去照射，会发现只有照射紫外线的金属板才会产生电流。而且，当紫外线的频率越高，电子的能量就越大。

另一方面，若我们拿很高强度的红外线去照射金属板，会发现无论如何都不会产生电流。但如果是紫外线的话，就算强度很低，还是会瞬间就产生电流。

这样难以理解的光电效应，使得爱因斯坦于 1905 年一举颠覆了整个物理学界，并建立了量子力学的基础。

光电效应的解释

为了解释光电效应，爱因斯坦假设，电磁波携带的能量是以一个个带有能量的“光量子”的形式辐射出去。并参考先前普朗克的研究成果，认为光量子的能量 E 和该电磁波的频率 ν 成正比，写成 E=hν，h 是比例常数，也是我们介绍过的普朗克常数。

在爱因斯坦的诠释下，电磁波的频率越高，光子能量就越大，所以只要频率高到一定程度，就能让电子获得足以逃脱金属板的能量，形成电流;反过来说，如果电磁波的频率不够高，电子无法获得足够能量，就无法离开金属板。

这就像是巨石强森一拳 punch 能把我打昏，但如果有个弱鸡用巨石强森百分之一的力道打我一百拳，就算加起来总力道一样，我是不会被打昏，大概也绵绵痒痒的，不觉得受到什么伤害一样。

而当电磁波的强度越强，代表光子的数目越多，于是脱离金属板的电子自然变多，电流就越大。就如同我们挨了巨石强森很多拳，受伤自然比只挨一拳要来得重。

虽然爱因斯坦对光电效应的解释看似完美，但是光量子的观点实在太过激进，难以被当时的科学家接受，就连普朗克本人对此都不太高兴。

对普朗克来说，基本单位能量 hν，是由虚拟的“振子”发出的;但就爱因斯坦而言，电磁波本身的能量就是一个个光量子，或现在所谓的“光子”。

然而，电磁波属于波动，直观来说，波是绵延不绝地扩散到空间中，怎么会是一个个携带最小基本单位能量的能量包呢?

美国物理学家密立根就坚信爱因斯坦的理论是错的，并花费多年时间进行光电效应的实验研究。

到了 1914 年，密立根发表了世界首次的普朗克常数实验值，跟现在公认的标准数值 h=6.626×10-34 Js（焦耳每秒）相距不远。

在论文中，密立根更捶心肝（tuî-sim-kuann）表示，实验结果令人惊讶地与爱因斯坦那九年前早就被人抛弃的量子理论吻合得相当好。

这下子，就算学界不愿相信爱因斯坦也不行了。爱因斯坦也因为在光电效应的贡献，获得 1921 年的诺贝尔物理奖。

1921 年，爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖之后的官方肖像。图/wikimedia

光电效应的应用

在现代，光电效应的用途广泛。我们日常生活中常见的太阳能发电板，利用的就是光电效应的一种，称为光生伏打效应，材料内部的电子在吸收了光子的能量后，不是放射到周遭空间，而是在材料内部移动，形成正负两极，产生电流。

而会不会晒伤也跟光子的能量有关。

晒伤是皮肤受到频率够高的太阳光，也就是紫外线里的 UVB 辐射造成的损伤。这些光子打到皮肤，会让 DNA 分子里构成键结的电子逃逸，引起皮肤细胞中 DNA 的异常变化，导致细胞损伤和免疫反应，这就是为什么晒伤后皮肤会出现红肿、疼痛和发炎的原因。

而频率较低的光线，因为光子能量偏低，所以就不太会造成伤害，这也是为什么我们没听过被日光灯晒伤这种事。

结语

从 17 世纪后半，惠更斯和牛顿各自提出光的波动说和微粒说开始，人们就聚焦于光到底是波动还是粒子的大哉问;19 世纪初，汤玛士.杨用双狭缝干涉实验显示了光的波动性，而到 19 世纪中后期，光属于电磁波的结论终于被马克士威和赫兹分别从理论和实验两方面确立。

经过约莫两百年的研究发展，世人才明白，光是一种波动。

怎知，没过几年，爱因斯坦就跳出来主张光的能量由一个个的光量子携带，还通过实验的检验——光又成为粒子了。

物理学家不得不承认，光具有波动和粒子两种性质，而会呈现哪一种特性则依情况而定，称为光的波粒二象性。

爱因斯坦于 1905 年提出的光量子概念，颠覆了传统认为波动和粒子截然二分的观点，将光能量量子化的诠释也被实验印证，在那之后，除了光的能量之外，还有其他物理量被发现是“量子化”的，像是电荷。

我们现在知道，电荷也有个基本单位，就是单一电子携带的电荷大小。

尽管之后又发现组成原子核的夸克，具有 -1/3 和 +2/3 单位的基本电荷，但并没有改变电荷大小是不连续的这件事，并不是要多少的电量都可以。

如果你觉得很奇怪，不妨想想，我们用肉眼看会觉得身体的每一个部位都是连续的，但其实在微观尺度，身体也是由一个个很小的原子和分子组成，只是我们根本看不出来，才觉得是连续的。

光子的能量和电荷的大小，其实也是像这样子，细分下去就会发现具有最基本的单位，不是连续的。

事实上，量子力学在诞生之后，一直不断地为人们带来惊喜，简直就是物理学界突然闯进一只捉摸不定的猫。我们下一个故事，就要来聊量子力学发展过程中，打破世间常识的某个破天荒假说，而假说的提出者，是大学原本主修历史和法律，拥有历史学士学位，但后来改念物理，并凭藉博士论文用 5 年时间就拿到诺贝尔物理学奖的德布罗意。