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專題報導 物理固自然 愛因斯坦的 愛因斯坦的 光子說 光子說 在慶祝2005世界物理年時，本文回顧愛因斯坦在百年前 提出的光子說及其在科技上的巨大衝擊， 前半部回顧光子說、光電效應、 以及其對現代物理的影響，後半部討論這些理論的應用， 特別強調科技的歷史演進。 ■多田邦雄（Kunio Tada ） 翻譯／劉威志 1921年愛因斯坦因為對理論物理的偉大貢獻，特別是光電效應原理的發現，而獲 頒諾貝爾物理獎。光電效應起因於光或其他形式電磁輻射所引起物質導電性的改變。 要產生光電效應，物質需要吸收入射光而產生帶電的載子，例如在半導體中的傳導電 子及帶正電的電洞，或是在金屬表面放出自由電子（光電子），而留下正離子。這兩種 情形分別稱為內光電效應及外光電效應。 在由19世紀進入20 世紀之際，外光電效應的研究是當時物理發展的重要課題，因 為當時有幾個光電效應的實驗結果，無法以馬克士威爾的電磁波理論合理解釋。 1905 年 3月 17 日，就在愛因斯坦26 歲生日的 3天後，他在瑞士伯恩完成一篇論 Annuals of Physics ）發表。在這篇〈對光的生成及轉化的啟發 文，送到《物理年報》（ 式觀點〉（ On a heuristic point of view concerning the generation and transformation of light ） 的論文中，愛因斯坦提出光量子的觀念，而且精采地解釋了光電效應的原理。 當然，這樣的輻射粒子概念蘊含了光的粒子性，這對當時已成熟的光電磁理論形 成一大挑戰。直到10年之後，這個理論才被物理界普遍接受。無論如何，我們可以說 愛因斯坦的光子說和德布羅意的物質波理論推動了量子力學的發展。 從物理應用的角度來看，愛因斯坦的光電效應理論可說是他所貢 1905年愛因斯坦提出光量子的 獻的物理理論中非常重要的一項。直到如今，光電效應理論提供了光 觀念，而且精采地解釋了光電 偵測裝趵，如光電倍增管或電荷耦合元件影像感應器等，以及光電能 效應的原理。這個觀念蘊含了 量轉換裝趵的理論基礎。在本文後半部，會回顧愛因斯坦光子說在科 光的粒子性，對當時已成熟的 技應用上的關鍵地位。 光電磁理論形成一大挑戰，直 光子假說 到10年後，才被普遍接受。 首先，讓我們討論愛因斯坦1905年發表的原始論文。在論文的第 2 頁，簡介部分的 結尾，愛因斯坦說：「在我看來，如果我們假設光的能量是非連續地分布在空間中， 對黑體輻射、光致發光效應、由紫外光產生的陰極射線、及其他牽涉到光的生成及轉 換等現象的觀察結果，都可以解釋得更好。依據這個假設，當光自光源散布開來，其 能量並不是連續地散布在持續擴展的空間中，而是包含在有限數目的能量量子中。每 個能量量子各局限在空間的一點中，移動時並不分散，而且只能以