光电效应的研究
发布时间：2021-04-06 来源：文档文库
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光电效应的研究
爱因斯坦最早明白地看法到，普朗克的发现标志了物理学的新纪元。1905年，爱因斯坦在著名论文：«关于光的发生和转化的一个试探性观念»中，开展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，并运用到光的发射和转化上，很好地解释了光电效应等现象。后来，爱因斯坦称这篇论文是十分革命的，由于它为研讨辐射效果提出了崭新的观念。 一、爱因斯坦的光量子实际
爱因斯坦在那篇论文中，总结了光学开展中微粒说和动摇说临时争论的历史，提醒了经典实际的困境，提出只需把光的能量看成不是延续散布，而是一份一份地集中在一同，就可以作出合理的解释。他写道：
〝在我看来，假设假定光的能量在空间的散布是不延续的，就可以更好地了解黑体辐射、光致发光、紫外线发生阴极射线〔按：即光电效应〕，以及其他有关光的发生和转化的现象的各种观测结果。依据这一假定，从点光源发射出来的光束的能量在传达中将不是延续散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发生。〞 也就是说，光不只在发射中，而且在传达进程中以及在与物质的相互作用中，都可以看成能量子。爱因斯坦称之为光量子，也就是后来所谓的光子〔photon〕。光子一词那么是19261 / 9
年由路易斯〔G.N．Lewis〕提出的。
作为一个事例，爱因斯坦提到了光电效应。他解释说： 〝能量子钻进物体的外表层，……，把它的全部能量给予了单个电子……，一个在物体外部具有动能的电子当它抵达物体外表时曾经失掉了它的一局部动能。此外还必需假定，每个电子在分开物体时还必需为它脱离物体做一定量的功P〔这是物体的特性值——按：即逸出功〕。那些在外表上朝着垂直方向被激起的电子，将以最大的法线速度分开物体。〞
这样一些电子分开物体时的动能应为：
hv-P 爱因斯坦依据能量转化与守恒原理提出，假设该物体充电至正电位V，并被零电位所包围〔V也叫抑止电压〕，又假设V正好大到足以阻止物体损失电荷，就必有： eV=hv-P，
其中e即电子电荷。此即众所周知的爱因斯坦光电方程。 爱因斯坦的光量子实际和光电方程，繁复明了，很有压服力，但是事先却遭到了礼遇。人们以为这种把光看成粒子的思想与麦克斯韦电磁场实际抵触，是奇谈怪论。甚至量子假说的开创人普朗克也表示支持。1913年普朗克等人在提名爱因斯坦为普鲁士迷信院会员时，一方面高度评价爱因斯坦的成就，同时又指出：〝有时，他能够在他的思索中失掉了目的，2 / 9
如他的光量子假定。〞
爱因斯坦提出光量子假定和光电方程，确实是很大胆的，由于事先还没有足够的实验理想来支持他的实际，虽然实际与已有的实验理想并无矛盾。爱因斯坦十分慎重，所以称之为试探性观念〔heuristischenGesichtspunkt〕。假设我们比拟详细地回忆光电效应的发现史，就会愈加佩服爱因斯坦的胆略。
二、光电效应的早期研讨 1．光电效应的发现
说来幽默。假设说光电效应是光的粒子性的实验证据，发现这一效应却是赫兹〔HeinrichHertz〕在研讨电磁场的动摇性时偶然作出的。这件事发作在1887年，事先赫兹正用两套放电电极做实验，一套发生振荡，收回电磁波；另一套充任接纳器。为了便于观察，赫兹偶然把接纳器用暗箱罩上，结果发现接受电极间的火花变短了。赫兹任务十分仔细，用各种资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，效果最为清楚，说明负电极更易于放电。 2．提醒光电效应的机制
赫兹的论文«紫外线对放电的影响»宣布后，惹起了普遍反响。1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯〔WilhelmHallwachs〕，意大利的里奇〔AugustoRighi〕和俄国的斯托列托夫3 / 9
〔А．Г．СтоΛетов〕简直同时作了新的研讨。图7-l是斯托列托夫的实验装置原理图。在金属极板C前几毫米远处，安放一金属网，极板C与金属网区分接于电池B的两端，使C带负电。用检流计G测量电流，弧光从A照向极板C，检流计指示有电流，将电池极性对换，使C极电位为正，那么检流计不指示电流。显然，这个实验说明负电极在光照射下〔特别是紫外线照射下〕，会放出带负电的粒子，构成电流。1889年，爱耳斯特〔J.Elster〕和盖特尔〔H.F.Geitel〕进一步指出，有些金属〔如钾、钠、锌、铝等〕不但对强弧光有光电效应，对普通太阳光也有异样效应，而另一些金属〔如锡、铜、铁那么没有。关于锌板，要加+2.5伏电压，才干在光照之下坚持绝缘。
1899年，J.J.汤姆生用了一个巧妙的方法测光电流的荷质比。他用锌板作光阴极，阳极与之平行，相距约1厘米。紫外光照射在锌板上，从锌板发射出来的光电粒子经电场减速，向正极运动。整个装置处于磁场H之中，如图7-2。在磁场的作用下，光电粒子作圆弧运动。只需磁场足够强，总可以使这些粒子前往阴极，于是极间电流乃降至零。J.J.汤姆生依据电压、磁场和极间距离，计算得光电粒子的荷质比e/m与阴极射线的荷质比相近，都是1011库仑/千克的数量级。这就一定光电流和阴极射线实质相反，都是高速运动的电子流。这才搞清楚，原来光电效应就是由于光、特别是紫4 / 9
外光，照射到金属外表使金属外部的自在电子取得更大的动能，因此从金属外表逃逸到空间的一种现象。不过，这只是一种定性解释。要依据经典电磁实际树立定量的光电效应实际，却遇到了难以克制的困难。特别是1900年勒纳德的新发现使物理学家感到十分迷惑。 三、勒纳德的新发现
勒纳德为了研讨光电子从金属外表逸出时所具有的能量，在电极间加反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值〔即抑止电压〕V，可以推算电子逸出金属外表的最大速度。勒纳德研讨光电效应的实验装置。入射光照在铝阴极A上，反向电压加在阳极E与A之间。阳极中间挖了一个小孔，让电子束穿过，打到集电极D上。
勒纳德用不同资料做阴极，用不同光源照射，发现都对抑止电压有影响，唯独改动光的强度对抑止电压没有影响。 电子逸出金属外表的最大速度与光强有关，这就是勒纳德的新发现。
但是这个结论与经典实际是矛盾的。依据经典实际，电子接受光的能量取得动能，应该是光越强，能量也越大，电子的速度也就越快。
和经典实际有抵触的实验理想还不止此，在勒纳德之前，人们曾经遇到了其他的矛盾，例如：
1．光的频率低于某一临界值时，不论光有多强，也不会发5 / 9
生光电流，可是依据经典实际，应该没有频率限制。 2．光照到金属外表，光电流立刻就会发生，可是依据经典实际，能量总要有一个积聚进程。
原本，这些矛盾正是揭露了经典实际的缺乏，可是，勒纳德却煞费苦心肠想出了一个弥补方法，希图在不违犯经典实际的前提下，对上述理想作出解释。他在1902年提出触发假说，假定在电子的发射进程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子外部运动，光照到原子上，只需光的频率与电子自身的振动频率分歧，就发作共振，所以光只起翻开闸门的作用，闸门一旦翻开，电子就以其自身的速度从原子外部逸走。他以为，原子里电子的振动频率是特定的，只要频率适宜的光才干起触发作用。他还建议，由此也容许以了解原子外部的结构。
勒纳德的触发假说很容易被人们接受，事先颇有影响。1905年，还没有当上专利局二级技术员的爱因斯坦提出了光量子实际和光电方程。就在这一年，勒纳德因阴极射线的研讨取得了诺贝尔物理奖。难怪人们没有对爱因斯坦的光电效应实际给予应有的注重。 四、密立根的光电效应实验
当然，爱因斯坦的光量子实际没有及时地失掉人们的了解和支持，并不完全是由于勒纳德的触发假说占了压倒优势，由于不久这一假说被勒纳德自己的实验驳倒。爱因斯坦遭到礼6 / 9
遇的基本缘由在于传统观念约束了人们的思想，而他提出抑止电压与频率成正比的线性关系，并没有直接的实验依据。由于测量不同频率下地道由光辐射惹起的微弱电流是一件十分困难的事。
直到1916年，才由美国物理学家密立根〔RobertMillikan，1868
