原始性创新可分为科学上的原始性创新和技术上的原始性创新。科学上的原始性创新是指在基础研究领域做出了过去从来没有人做出的新的科学发现，包括新现象的发现、新领域的开拓、新概念的提出和新理论体系的形成。技术上的原始性创新是指在新方法、新工艺、新产品等技术领域取得了前人所没有的重大发现或发明。原始性创新孕育着科学技术质的变化和发展，直接关系到国家在国际上的竞争能力，以及在国际产业分工中的地位，是当今世界科技竞争的制高点。            

科学上的原始性创新成果，在国内的最高水平标志是国家自然科学奖，在国际上的最高水平标志是诺贝尔奖。遗憾的是，我国国家自然科学奖一等奖多次出现空缺，我国本土科学家至今与诺贝尔奖无缘。由于科学上的原始性创新是技术上的原始性创新的源头，在科学上的原始性创新能力有待提高的我国，在技术上的原始性创新也有待加强。原始性创新能力的培养应该从学生抓起。通过对物理实验的深入挖掘，有利于培养学生的原始性创新能力。本文论述光电效应实验对原始性创新能力培养的作用。

1光电效应的发现

1879年，柏林科学院提出竞赛题目：用实验验证麦克斯韦理论。1883年菲茨杰拉德教授根据麦克斯韦理论，推论莱顿瓶振荡放电时可产生电磁波。1888年，赫兹发现了检测从莱顿瓶或线圈火花产生的电磁波的方法，用实验证实电磁波是客观存在的。在用实验验证电磁波存在的过程中，赫兹于1887年偶然发现了光电效应：“赫兹当时正用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波；另一套充当接收器。为了便于观察，赫兹偶然把接收器用暗箱罩上，结果发现接收电极间的火花变短了。赫兹用各种材料放在两套电极之间，证明这种作用既非电磁的屏蔽作用，也不是可见光的照射，而是紫外线的作用。当紫外线照在负电极上时，效果最为明显，说明负电极更易于放电。”赫兹把观察到的现象写成论文《紫外线对放电的影响》，发表后引起广泛关注。许多科学家做的光电效应实验证明，负电极在光、特别是在紫外线照射下，会放出带负电的粒子，形成电流。直到1899年，J.J.汤姆生根据电压、磁场和极间距离，巧妙地计算出了光电粒子的荷质比，证实光电流就是高速运动的电子流。俄国的斯托列托夫和赫兹的学生勒纳德等人系统地研究了光电效应，发现其中的一些特点是用光的波动说无法解释的。如光的频率低于某一临界值时，不论光有多强，也不会产生光电流，可是根据光的波动说，应该没有频率限制；光照到金属表面，光电流立即就会产生，可是根据光的波动说，能量总要有一个积累过程；电子逸出金属表面的最大速度与光强无关，可根据光的波动说，光越强能量越大，电子的速度应越快。

2光电效应的解释

面对这些矛盾，勒纳德于1902年提出触发假说，企图在不违反经典理论的前提下解决。他“假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，所以光只起打开闸门的作用，闸门一旦打开，电子就以其自身的速度从原子内部逸走。原子里的电子振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。”

受普朗克能量子假说的启示，1905年，爱因斯坦在他的著名论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》中提出光量子假说。在这篇论文中，爱因斯坦总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，“认为解决困难的关键是处理连续性与间断性的关系。他说，在这个问题上，牛顿力学、气体力学同麦克斯韦的电磁场理论有着深刻的分歧，前者认为一切有限形状的物体都是由有限的原子组成的，气体的状态都可以看作由一个个分子的运动构成的，都由‘一个一个’的间断性，而麦克斯韦的理论却把能量看作是‘连续的空间函数’。用‘连续的空间函数’来运算光的波动，描述纯粹的光学现象已被证明是十分卓越的，可是把这个理论用于光的产生与转化现象时，就同经验相矛盾了。”[i]他认为“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线（即光电效应），以及其他有关光的产生和转化的现象的各种观测结果。根据这一假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由一个数目有限的局限于空间各点的能量子所组成。这些能量子在运动中不再分散，只能整个地被吸收或产生。”即光所携带的能量是一个个不连续的能量‘颗粒’，称为光量子。

他利用光量子假说解释了光电效应：“能量子钻进物体的表面层，……，把它的全部能量给予了单个电子……，一个在物体内部具有动能的电子当它到达物体表面时已经失去了它的一部分动能。此外还必须假设，每个电子在离开物体时还必须为它脱离物体做一定量的功（即逸出功）。那些在表面上朝着垂直方向被激发的电子，将以最大的法线速度离开物体。”爱因斯坦由此得出了著名的光电效应方程。

根据新的假说，每个光量子的能量同频率成正比，与光的强度无关。要产生光电流，光子的能量必须大于金属的逸出功，即存在频率限制；光量子与金属中电子的作用是瞬时的，不需要能量积累。光量子假说圆满解释了光电效应。

3光电效应的验证

勒纳德提出的触发假说不久就被自己的实验驳倒。而爱因斯坦的光量子假说也没有立即得到人们的认可，其原因一方面是由于经典理论的传统观念束缚了人们的思想；另一方面也是由于这个假说并未得到其他实验验证。要用实验验证这个假说，就必须验证光电效应方程。在光电效应方程中涉及的物理量主要有：电位差，照射光的频率，逸出电子的动能（需通过测量光电流得到）。在这几个物理量中，纯粹由光辐射引起的光电流，因太微小难以测量。

美国物理学家密立根从1904年起就开始做光电效应实验，1912年，他通过听普朗克关于黑体辐射问题的讲演，了解了爱因斯坦的光电效应理论并着手验证光电效应方程。在众多做验证光电效应方程的科学家中，密立根之所以取得成功是因为他为消除实验误差采取了许多有效的措施，他在论文中写道：“实验样品固定在小轮上，小轮可以用电磁铁控制，所有操作都是借助于装在（真空管）外面的可动电磁铁来完成。随着操作的需要，真空管的结构越来越复杂，到后来可以说它简直成了一个真空的机械车间。所有的真空管都要进行这几步操作：（1）在真空中排除全部表面的全部氧化膜；（2）测量消除了氧化膜的表面上的光电流和光电位；（3）同时测量表面的接触电位差。”

他让高压汞灯发出的光分别通过石英单色仪和滤光片，得到了较好的单色光，从而避免了短波长杂散光的干扰；选用逸出功较小的碱金属并排除全部表面的全部氧化膜，是为了增大光电流便于测量；而测量表面的接触电位差是为了消除由此带来的误差。1916 年，经过十余年的奋斗，密立根发表的实验结果全面地证实了爱因斯坦光电方程。对此，爱因斯坦给予了高度的评价：“我感激密立根关于光电效应的研究，它第一次判决性地证明了在光的影响下电子从固体发射与光的振动周期有关，这一量子论的结果是辐射的粒子结构所特有的性质。”

密立根的杰出工作使爱因斯坦的光量子理论开始得到人们的承认，爱因斯坦和密立根分别获得1921年和1923年度诺贝尔物理学奖。

4光电效应的应用

物理效应最终是要应用到技术上为人类造福的。利用光电效应原理发明的光电管，可把光讯号变成电讯号。光电管经不断改进，于1930年开始进入实用阶段。为使光电管进入使用阶段，科学工作者主要解决了两大难题。一个难题是研究出了合适的阴极材料，制造出了适合不同光频段的光电管。阴极材料的作用是决定频率限制，接收入射光，向外发射电子；另一个难题是增大光电流，因仅由光辐射引起的光电流太微小。为增大光电流，科技人员一方面将光电管充入较易电离的气体，通过光电子与气体碰撞电离的雪崩过程来放大电流；另一方面设计出了光电倍增管。光电倍增管是在光电管原来的阴极和阳极之间安装上一系列次阴极，分别称为第一阴极、第二阴极……等，各个电极之间保持上百伏的电压。阴极在光照射下发射光电子，通过电场加速轰击第一阴极，产生较多电子，这些电子经电场加速后轰击第二阴极，产生更多电子。这样继续下去，就可得到较大的电流。

光电管实现了光电转换，广泛的应用于光电自动控制、有声电影、传真电报、电视录像等设备中。应用光电效应理论，人们创造了无数的发明，取得了显著的经济效益和社会效益。

5光电效应的启示

光电效应是大学低年级学生必做的一个实验，在做光电效应实验时，弄清该实验的来龙去脉，对培养学生的原始性创新能力是大有帮助的。

5.1重视意外情况。赫兹在其他人理论的指导下，做验证电磁波存在的实验。但他并不是只关注预期的结果，而是对意外情况也高度警惕，认真对待，偶然地发现了光电效应。意外情况往往透露了人们还未发现的大自然的信息，意味着获得科学的原始性创新成果的重大机遇。

5.2大胆假设。意外情况往往与现有理论相矛盾，为解决矛盾就要深入分析产生矛盾的原因，就要广泛收集其他科学家的理论与观点，提出假说，解决矛盾。面对同样的实验事实，勒纳德在不违反经典理论的前提下提出触发假说，不久就被自己的实验驳倒。而爱因斯坦总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，抓住解决困难的关键是处理连续性与间断性的关系，在普朗克能量子假说的启示下，勇敢地提出了突破经典理论的光量子假说，在科学上取得了重大的原始性创新成果。爱因斯坦之所以能提出光量子假说，最主要的是他能摆脱经典理论的束缚，勇敢地迈出关键的一步。当然，爱因斯坦并不是凭空提出光量子假说的，他一方面通过总结经典理论的发展史，抓住了光电效应问题的关键；另一方面，他靠新思想激发灵感，敏锐地意识到当时倍受冷落的能量子假说开创了物理学的新时代，该假说中能量是不连续的思想正是解决光电效应问题的金钥匙。科学理论的发展史是一部正确理论不断取代错误理论，新理论不断代替旧理论并把旧理论以极限的形式包含在新理论体系中的一个过程。当我们遇到旧理论不能解释新情况时，就要象爱因斯坦那样，综合各方面情况，勇敢地提出新的假说。当然，提出的新假说必须满足解释性和预见性两个条件。解释性是指该假说能说明和解释研究范围内已知的全部科学事实，预见性是指根据该假说必须能推出可用实验来验证的结论。

5.3小心求证。无论提出的假说看起来多么完美，都必须经过实验验证才能变成理论，才能被人们接受。这就决定了做验证假说实验的难度是比较大的，不仅需要实验者能根据假说设计出简单易行的验证实验，还需耐心细致，采取种种措施减小误差，提高实验精度。密立根在做验证光量子假说实验时，就不断改进实验仪器，千方百计减小误差，历经十余年才完全验证了根据光量子理论得出的光电效应方程。做这样的实验，总体目标是明确的，但在具体实验过程中往往会遇到许多意想不到的困难和挫折，这也正是体现一个人原始性创新能力的地方。一旦在实验上获得成功，就会在科学上取得重大的原始性创新成果。

5.4选准领域。在光电效应基础理论方面，只有爱因斯坦和密立根两个人分别因提出和验证光电效应方程而取得重大原始性创新成果。但把光电效应理论应用到实践中，却取得了众多技术上的原始性创新成果，很多人因此获得发明专利，不仅提高了人们的生活水平，还创造了巨大的经济效益。纵观世界科技发展历史，一旦在科学上取得原始性突破，成果往往比较显著，但因难度较大，只有极少数人才能取得成功。由于人们在实践中遇到的问题是无限的，把原理应用到实践中，得到的技术创新和发明也是无限多的。因而，能在技术上取得原始性创新成果的人数较多。由此可知，只有少数兴趣浓厚且有才华的人，才适合搞理论研究，而多数人应走能直接创造财富的技术创新之路，这样才能人尽其才，最大限度地为社会做贡献。