光电效应的发现和研究

赫兹发现新奇效应

——光电效应的发现和研究

光是微粒还是波，这是一个从牛顿时代就有争议的问题。光的直进性、反射和折射可以用微粒说解释；光的干涉、衍射等现象以及光速与媒质的关系却令人信服地表明光的波动性。到了20世纪初，对光的研究深入到光的发生、光与物质相互作用等领域，光电效应的发现和研究，使人们对光的本性又有了新的认识：光既是波，又是微粒，也就是说，光具有波粒二象性。

光电效应是指在光的作用下从物体表面释放电子的现象，确切地

说，这个现象应该叫做光电发射效应。1887年，赫兹在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受光辐射的影响。这种影响他事前毫无考虑。当时，他用的是两套放电电极，一套产生电振荡，发出电磁波，

如图40-l中的A；另一套当做接收电极，如图1中的B，接收电极的放电间隙可随意调节，它的最大放电间隙即可表示信号的强度。为了便于观察放电火花，赫兹用暗箱把接收电极的回路蒙起来。有一次赫兹发觉接收回路蒙住后，最大火花长度明显变小了。他没有放过这一偶然现象，潜心地研究起来，想找到出现这一现象的原因。于是他陆续挪开暗箱的各个部分，直到证明这个效应是由于箱体有一部分挡住了原回路和次回路之间的通道。然后，他用各种材料挡在通道上试验，发现导体和非导体作用相同，证明不是由于静电或电图1 赫兹的光电效应实验

磁的屏蔽作用。

接着，他用各种透明和不透明的材料进行试验，发现能透光的玻璃仍然起隔离作用，看来光的因素应该排除；岩盐、冰糖、明矾放在通道中，有程度不同的隔离作用，基本上是透明的，最好的是水晶和透明石膏，几乎完全不影响放电。几厘米厚的水晶都不起隔离作用。可见，是紫外光在起作用。他再用紫外光照射负电极。效果最为显著，说明负电极更易于放电。赫兹是一位工作非常谨慎的物理学家，他不轻率对现象作解释，只是如实在论文《紫外光对放电的影响》中作了记载，这篇论文在1887年发表于《物理学年报》上。赫兹发现光电效应有一定的偶然性，但并不是唾手可得的成果，而是经过极其细致的观察和分析才得到的。引人深思的是，这个对光的粒子性有重要意义的效应，恰恰是在证实它的对立面——电磁波的实验中发现的。这不正好说明物质世界的波粒二象性吗？

赫兹的论文发表后，立即引起人们注意，因为似乎这个现象可以导致光直接变成电。许多物理学家纷纷投人光电效应的研究之中。

1888年，德国物理学家霍耳瓦克斯（W．Hallwacks）用弧光照射带

负电的锌板，发现锌板上的电荷迅速消失；若锌板带正电则无此现象。俄国的斯托列托夫（Stoletov）用图2的装置更详细地研究了光电效应。图中C是一块金属板，与电池的负极相连，中间串接一检流计G。金属板C前几毫米安放一金属网，接于电池正极。弧光从A照到极板C上，检流计指示电流。显然，这个实验表明负电极在弧光照射下放出了负电荷，形成了电流。图2 斯托列托夫的实验装置

1899年，J．J．汤姆生用磁场偏转法测光电流的荷质比，结果与阴极射线一样，于是肯定光电流也是由电子组成的。光照到金属表面，使金属表面释放电子，这就是光电效应的本质。

1900年，勒纳德创造了一种独特的测量方法，使光电效应的研究取得重要成果。他的办法就是在电极间加一反向电压，使光电流截止到零，然后从反向电压值推算出电子逸出金属表面的最大速度。图3就是装置原理图。从S发出的光照在铝电极A上，E是阳极；反向电压加在E、A之间，使E的电位低于A，起着遏止电子的作用；E极中间挖了一个5毫米的小洞，电子束穿过洞口打到集电极的D上，再由静电计测量。然后加大反向电压，当电流截止到零时，这个反向电压与电子逸出金属表面的最大速度υm应有如下关系：

eU = mυ图3 勒纳德的实验装置

这个电压U就称为遏止电压，式中e、m分别为电子的电荷与质量。图4是勒纳德实验测量所得的光电流曲线。他用不同材料做阴极A，用不同光源照射，发现对遏止电压都有影响，惟独改变光的强度对遏止电压没有影响。换句话说，就是电子逸出金属表面的最大速度与光强无关。

这一结果是与经典理论矛盾的。按照经典理论，应该是光越强，接收

的能量越大，电子的速

度也就越快。

然而，勒纳德却在经典理论和他的实验结果之间找到了一个调和的方案。他在1902年提出了所谓的触发假说，大意是说：在光电发射过程中，图4 勒纳德的光电流曲线

光起的作用只是触发，使原子内部原来就存在的电子运动释放出来。只要光的频率与电子本身旋转的频率一致，就可以起开闸的作用，使电子从原子内部逸走。

勒纳德这一似是而非的假说，居然吸引了不少人注意，甚至有人称之为物理学的重大成果。就在勒纳德得意的时候，爱因斯坦于1905年发表了光电效应的光量子理论。这一年正好勒纳德获诺贝尔物理学奖，而爱因斯坦只不过是瑞士专利局一名小小的职员。

1905年，在科学史上又是不平凡的一年。年轻的德国物理学家爱因斯坦在这一年连续发表了3篇有划时代意义的论文，其中一篇提出狭义相

对论，一篇关于布朗运动，还有一篇是关于光的产生和转化。

爱因斯坦在题为《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的论文里，总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，揭示了经典理论在许多实验事实面前的困境，指出只要把光的能量看成是不连续分布的，就可以解释这些事实。对于光电效应，爱因斯坦根据能量转化与守恒原理提出一个方程： eU = hv－W

其中e为电荷，U为遏止电压，eU等于电子逸出金属表面的最大动能，即mυ，h为普朗克常数，v为光的频率，W为电子逸出金属表面需做的功。这个方程也叫爱因斯坦光电方程。它不但解释了电子的最大速度与光强无关，还预言了遏止电压U与光的频率v之间的线性关系。

爱因斯坦的光量子理论发表以后，有好几年得不到科学界的承认，一方面是由于勒纳德的触发假说有很大影响，另一方面是经典理论的传统观念束缚了人们的思想，很难接受光量子的概念。何况，除了勒纳德的电子最大速度与光强无关这一实验结果之外，爱因斯坦的光电方程还没有找到更多的实验支持！

在爱因斯坦光电方程里，遏止电压U应与频率v成正比。在20世纪初，要精确测量在不同频率的光（包括紫外光）照射下产生的光电流，并不是一件容易的事。许多人做实验寻找电流随频率变化的关系，往往因为条件欠佳，例如电极表面有氧化膜和接触电位差等因素的影响，得到的不是线性关系。这使人们增添了对爱因斯坦理论的怀疑。

1910年起，正在进行油滴实验的密立根开始了光电效应的研究。他从经典理论出发，也不同意爱因斯坦的光量子理论，对光电方程表示怀疑。但是为了探索科学真理，他以科学态度对待这项工作，希望彻底澄清实验事实。他从别人做过的实验了解到，氧化膜和接触电位差是干扰的主要因素，就运用他那娴熟的实验技巧，设计和制作了一套极其精致的实验装置，如图5。这是一只大真空管，里面封装了全套装置，密立根称之为“真空机械车间”。实验样品是三种碱金属Li、Na、K，并将样品做成圆柱形，分别固定在小轮上，用电磁铁（图中未画）可操纵小轮的转动位置。剃刀K可沿管轴方向前后移动。真空管外另有一电磁铁F，能带动衔铁M－M’旋转，使剃刀在圆柱电极表面不断切削，刮掉电极表面上极薄的一层表皮，即氧化膜。然后立即转动小轮，对新鲜的表面进行测试，先转向电极S，测其接触电位差，再转向窗口O，接受单色光或单色紫外光的照射，同时测其光电流。光源采用汞灯，选取适当

的滤光片使

光的频率尽可能单纯。图5 密立根的光电效应实验装置

图6是密立根用上述装置测出的实验曲线，横坐标表示电压，纵坐标

表示光电流。图中6条曲线分别相当于汞的6条特征谱线。

密立根从6条曲线与横坐标的交点求出对应于这6个频率的遏止电压，然后，把这6个遏止电压值与对应的频率画在图7上，得到的是一条很好的直线。出乎他的意料，

他的实验竟证实了爱因斯坦的光电图6 密立根的光电流曲线（光阴极是钠）方程。接着，他又从曲线的斜率推算出普朗克常数为6.56×10－34焦·秒，与普朗克黑体辐射所得结果相差不到千分之二。

密立根如实地发表了实验结果，他为爱因斯坦的光量子理论提供了第一个直接而全面的实验证据。他自己虽然对爱因斯坦光量子理论还有所保留，但他尊重实验事实，相信实验检验过的光电方程是正确的，于是，他就和其他物理学家一道，对爱因斯坦理论的态度从怀疑转变为承认，并且积极地进行宣传。

于是，光具有波粒二象性这一新的观念，才逐渐为广大科学界所接

受。

到这个时候，光的微粒和波动说之争又产生了戏剧性的变化，看来，微粒说并没有完全错。光既是波，又是微粒，在不同的场合挂不同的脸谱。把两种学说结合起来，就可能充分说明光的特性。图7 钠的遏止电压与光频率的关系曲线