光电效应的研究

光电效应的研究

背景

光电效应现象是赫兹在1887年首先发现的。当时赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验，他在实验中偶然发现了光电效应现象，后来这一现象却成了突破麦克斯韦电磁理论的一个重要证据。赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波；另一套作为接受器。他意外发现，如果接受电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生。赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表以后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。1899年，J．J．汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线都是高速运动的电子流。这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外光）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。

工作过程

1899—1902年，P．勒纳德（P. Lenard, 1862—1947）对光电效应现象进行了系统的研究，并首先将这一现象称为光电效应。为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加可调节的反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，发现对反向电压的截止值都有影响，即对逸出电子的能量有影响，但是逸出电子的能量却与光的强度无关。

勒纳德的实验结果是经典理论无法解释的。根据经典电磁理论，应该是光越强能量越大，电子接受光的能量获得的动能也就应该越大。

进一步的实验发现，光电效应的实验规律与经典电磁场理论还有其它矛盾，例如，实验发现只有当光的频率高于某一定值时，才能产生光电效应，频率低于这一临界值，无论光有多强，也不会产生光电效应。根据经典电磁理论，光强决

定光的能量，电子的能量应该随光的强度变化，与光的频率无关，应该没有频率限制。另外，实验发现，光照射到金属表面，光电流立即就会产生，而根据经典理论，能量要有一个积累过程。

实验的发现已经暴露了经典理论的缺陷，但是许多物理学家还是企图在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。勒纳德在1902年提出触发假说,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,电子就以其自身的速度从原子内部逸出。勒纳德认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。勒纳的假说在当时很有影响，被一些物理学家接受。但是，不久，勒纳德的触发假说就被他自己的实验否定。当时，还有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。

1905年，提出光量子概念以后，爱因斯坦把它应用于光电效应的研究，很容易就地对光电效应做出了清晰的说明。他指出，射向金属表面的光，实质上就是具有能量为νh =ε的光子流，如果照射光的频率过低，即光子流中每个光子的能量较小，当它照射到金属表面时，电子吸收了这一光子，它所增加的νεh =的能量仍然小于电子脱离金属表面所需要的逸出功，电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。如果照射光的频率高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。此时电子的能量22

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mv 、光量子的能量νh 和逸出功A 之间的关系可以表示成

A h mv -=ν221

这就是爱因斯坦给出的光电方程。因此，光电效应中光电子的能量决定于照射光的频率，而与照射光的强度无关。当光照射到金属表面时，其强度越大表明光量子数越多，它被金属中的电子吸收的可能性就越大，因此就可以解释为什么被打出的电子数只与光的强度有关而与光的频率无关。

爱因斯坦的光量子假说并不是简单地回复到牛顿的光的微粒说，也不是对波动说的全部否定。1909年，爱因斯坦在维尔茨堡会议上讲过这样一段话：“不可否认的是，有关黑体辐射的实验说明，光所具有的一些基本性质从牛顿的微粒说去理解要比从波动说去理解容易得多。因此我认为，在理论物理发展的下一阶段，

将会出现一种关于光的理论，根据这种理论，光可以被看作是波动和微粒说的融合；我们关于光的本性和光的结构的看法有一个深刻的改变是不可避免的了。”

这样，爱因斯坦就第一次提出了光的波粒二象性的概念，它揭示了微观客体的波动性和粒子性的对立统一。

爱因斯坦用光量子理论对光电效应提出理论解释后，最初科学界的反应是冷淡的，甚至相信量子概念的一些物理学家也不接受光量子假说。当时还没有充分的实验支持爱因斯坦的定量关系式。直到1916年，光电效应的定量实验研究才由美国物理学家密立根作出。

密立根对光电效应进行了长期的研究，他的实验非常出色，有效地排除了表面接触电位差等因素的影响，获得了比较好的单色光。1916年密立根发表了他的精确实验结果，他用6种不同频率的单色光测量反向电压的截止值，进一步得到反向电压截止值与频率关系曲线，这是一条很好的直线，从直线的斜率可以求出普朗克常数，结果与普朗克1900年从黑体辐射得到的数值符合得很好。

意义与影响

爱因斯坦“由于他在理论物理方面的贡献和发现光电效应定律”获得了1921年的诺贝尔物理奖。1923年，密立根“因测量基本电荷和研究光电效应”获得了诺贝尔物理学奖，瑞典科学院诺贝尔物理学奖委员会主席高斯特兰发表致词，在谈到密立根的光电效应研究时说：“如果密立根的研究得出了不同的结果，那么爱因斯坦定律就会没有价值，玻尔的理论也会失去支持。在密立根取得成果之后，爱因斯坦和玻尔分别荣获了前年和去年的诺贝尔物理学奖。”