光电效应的疑难：为什么光强不是决定因素

把一块洁净的金属板放在真空中，用紫外光照射，板会失去电子而带正电，旁边接一个检流计就能看到电流。19世纪末的实验发现两条规律：对每种金属，低于某个频率的光无论多强都打不出电子；高于这个频率，哪怕光很弱，电子也几乎立刻飞出。这两条规律与当时占主流的波动说都对不上。当时的测量手段有限，但规律本身已经足够清楚。

波动说的困难在于能量积累。按经典图像，光的能量连续分布在波前上，电子需要一段时间吸收足够能量才能挣脱束缚，频率只影响振荡快慢，不该成为门槛。实验测到的延迟时间小于十亿分之一秒，而且截止频率与光强无关。更奇怪的是，增强光强只增加飞出电子的数目，不改变它们的最大动能。波动说对此只能靠附加假设打补丁。

1905年，一种新的解释把光看成一份份能量子，每份的能量正比于频率。一个电子吸收一份能量，扣除挣脱金属所需的逸出功，剩下的变成动能。频率低于逸出功对应的阈值时，单份能量不够，电子无论吸收多少份都不行，因为一份就是一份。这个图像同时解释了阈值、瞬时性和光强只影响数目三件事。提出者因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

定量验证用了十多年。实验者给金属板加一个反向电压，测出恰好能拦住电子所需的电压，这个截止电压与频率成线性关系，斜率是一个普适常数。把不同金属的数据画在同一张图上，斜率一致，截距各不相同，截距对应各自的逸出功。测出的斜率与当时已知的普朗克常数吻合，光子假设由此从解释性想法变成可测量的物理。此后的康普顿散射，又提供了一个独立支持。

常见误解是以为光越强电子能量越高，实际上强度对应光子数量，能量由频率单独决定。另一个误解是把光电效应与光伏发电混为一谈，太阳能电池利用的是内光电效应，电子被激发后在半导体内部形成电势差，不需要飞出面外。理解这层区别，就不会把两个领域的效率极限套用在一起。同一种材料在不同波长下的响应，也完全不是一回事。