科学火炬众接力三十年探索不寻常.doc

1、科学火炬众接力三十年探索不寻常光电效应的发现历程杨发文王克诚在量子理论的发展史中，光电效应有着特殊意义。它的研究经历了曲折的过程。一、赫兹紫外光照射显异常所谓光电效应就是电子在光的作用下， 从金属表面发射出来的现象。 最早由德国物理学家赫兹 （ H. R. Hertz ，18571894）于 1887 年发现的。他在研究电磁波发射与接收的实验中，利用一调谐电路中的火花间隙来产生电磁波，同时又应用另一类似的电路来检测电磁波。他无意中发现，当使发生火花的间隙产生的光与接收间隙隔绝时，则接收间隙必须缩短，才能使它发生火花！任何其他火花的光射到间隙的端点，也能促使间隙之间发生火花。赫兹进一步研究后，得

2、出结论，这一现象中起作用的是光的紫外部分，当光射到间隙的负极时，作用最强，显然紫外光照射负电极更易于放电。他当时无法解释这些现象， 只是如实地作了记录， 在 1887 年发表的题为 “论紫外光对放电现象的效应” 一文中，首先描述了这些现象。二、勒纳德磁偏转法寻规律赫兹的发现吸引了许多人去做这方面的研究工作。1889 年，哈耳瓦克（ W. Hallwack ，1859 1922 年）做了一系列实验，他用碳弧照射绝缘的锌板，锌板连接到验电器上。他发现：如果锌板原来带负电，经照射会迅速失去电荷；如果锌板原来带正电，经照射仍保持不变。在碳弧前面用一块玻璃隔开，现象消失，说明起作用的确实是紫外光，从锌板

3、放出的肯定是负电荷。俄国的斯托列托夫（1836 1896）对光电效应也进行了研究，并取得了重要成果。他发现：为了产生光电流，光必须被电极吸收；光电流的大小与入射光的强度成正比；光电流实际上是在照射开始时立即产生，无需时间上的积累。在光电效应的研究过程中，做出重要贡献的是德国物理学家、赫兹的助手勒纳德（P. Lenard， 1862 1947）。他早在 1889 年就开始做一些简单的光电效应实验。起先他设想光电效应是阴极射线引起的，但1894 年他的实验证明这一想法不符合事实。1899 年， J. J. 汤姆逊用磁偏切断电流的方法测定光电流的荷质比，肯定光电流与阴极射线都是同一类带电粒子组成，勒

4、纳德随即于1900 年也用磁偏转法测定光电流的荷质比得到同样的结果。其实验装置如图1 所示，当入射光照到清洁的金属表面（阴极K ），就有电子发射出来，若有些电子射到阳极A 上，外电路上就有电流通过。阳极相对于阴极的电势可正可负，以使到达阳极的电子数增加或减少。图 2 表示两种强度不同的入射光照射到阴极C 上，测得的电流与电压的关系曲线。当阳极A 电势高于阴极K 时，电子被吸引到阳极上，当电压值U 足够大时， C 极上所有发射出的电子全部到达阳极，因而电流达到它的最大值。勒纳德观测到此最大的饱和电流与入射光强度成正比。他并且创造了一种实验方法，用加反向电压的方法来测电子的最大速度，从而得到反向电

5、压（又称遏止电压）与入射光光强无关，即电子离开金属极板的最大速度与光强无关。从图看出，不同光强的遏止电压均为（ -U 0），这结论与经典理论显然相矛盾。按经典理论，当光束强度增大时，作用在电子上的力也增大，因此光电子的动能也增大；而且按经典理沦，光是一种电磁波，它的能量是连续的，当照射光不太强时，只要有足够长的时间照射，电子也可以积累到逸出金属表面所必需消耗的能量，但实验事实却不然，要么电子不能发出金属表面，不管照射多久，要么一经照射，就立即有电子从金属表面逸出，根本不需要延迟时间（至多为秒的数量级） 。勒纳德因发现光电效应上述重要性因而获得1905 年诺贝尔物理奖。210-9三、爱因斯坦光子

6、理论解难题光电效应使经典电磁波理论陷入困境，给物理学的晴朗天空又增加了一朵乌云。这一事实激励着年青的爱因斯坦（ A. Einstein ，德，1879 1955 ），他苦苦地思索着。 正在这个时候， 理论物理学家普朗克 （ M. Planck ，德，1858 1947）发表了能量子的假设，成功地解决了黑体辐射的问题，爱因斯坦对普朗克的能量子假设灌行了研究后，把量子论彻底贯彻到辐射和吸收过程中去，提出了崭新的光量子的假设，从而解决了光电效应问题，爱因斯坦认为，在光的传播所经过的空间里，光的能量并不是均匀分布的，而是由个数有限的、局限于空间各点的能量子所组成按照这种新观点，光照射到金属板，就把它的

7、全部能量传递给某一电子，每一份量子（即光子）的能量为hv，h 是普朗克常数，v 是光的频率。光源不同，光的频率不同，当光照射到金属板后，应该满足下列的能量守恒方程hvW1 m 2 ，2上式也称为光电方程。式中的 hv 即为光子的能量，W 为每一个电子从金属表面逸出而必须克服的束缚能。1 m 2 为电2子离开金属表面后的最大动能。从该方程可以看出，电子吸收了光子能量后，如果这一份能量hv 大于束缚能W，则可以从金属表面逸出；反之，则无法从金属表面逸出。因为一个电子同时吸收两个以上的光子的几率极小，所以不能期望它在时间上积累起为了逃逸金属表面所必不可少的能量。对于某种金属材料，存在一个阈值频率，小

8、于阈值频率的光照射，就不能使金属板放出电子来；当光的频率高于此阈值时，电子就能从吸收的光子中得到足够的能量而逃逸出金属表面，这样电子逸出后的最大动能显然与光照频率有关。爱因斯坦也因发现光电效应的规律而获得1921 年诺贝尔物理奖。四、密立根精确实验作判决爱因斯坦的光量子假设和光电方程完全能够解释光电效应中的各种现象，但并没有立即得到人们的承认，它受到的怀疑超过了同年（1905 年）他提出的狭义相对论。甚至连相信量子概念的一些著名物理学家包括普朗克本人也持反对态度。这一方面是由于经典电磁理论的传统观念，深深地束缚了人们的思想；另一方面也是由于这个假设并未得到全面验证。所以从1907 年起就不断有

9、科学家从事这方面的研究工作，其中主要困难是接触电位差的存在和金属表面氧化物的影响。例如1907 拉登堡（ E. Ladenber）用六种不同频率的紫外光照射金属表面，测出最大发射能量（以遏止电压 U0 表示），得到经验公式却是U 0 常量 ，而不是爱因斯坦的光电方程所表示的线性关系，即1 mv2eU 0 hv W ，2其他科学家的工作实验结果与理论预期相差也很大。直到 1916 年，密立根（ R. A Millikan ，美， 1868 1953）的精确实验才完全证实了爱因斯坦的光电方程。这是密立根花了十年的时间，研究接触电位差，消除了各种误差来源，改进真空装置以去掉氧化膜才实现的。特别是除去

10、表面氧化层的问题，这在技术上特别困难，但密立根不愧是非常出色的实验物理学家，他巧妙地设计了一种试验管，终于解决了金属氧化问题。其原理图如图3 所示，玻璃管抽成高度真空，同时把碱金属样品做成小圆柱状，固定在一小轮子 W 上，利用管外的一块电磁铁（图中未画出）可使小轮旋转，样品对准入射光窗口O，用电磁铁控制一把小刀K薄薄地切削圆柱样品，将金属表面极薄的一层氧化层刮掉，密立根称这一技术为“真空机械切削” ，金属发射的光电子进入金属丝圆筒中，后者再与一灵敏电流计相连。对于各种频率的入射光来说，为了阻止光电子的发射，金属圆柱样品表面的电势都高于金属丝网圆筒。为了使铜电极S 和 B 有相同的接触电位，对它

11、们进行十分细心的加工。如果在电极S 与金属圆柱体之间由某种原因引起电位差的话，则改变它们之间的距离（借助于铜电极S 上的活栓），使与它们相连的静电计中将产生电流。这样，如果外加一个电位，其值恰好使电荷没有任何运动，那么这个外加电位正好补偿了接触电位。实验的目的是以最大可能的精确度来检验直线的斜率，此斜率表示入射光频率和最大电位差的关系。密立根得到的金属铀的光电子最大能量（依据遏止电势差测量的）与入射光频率的关系，如图4 所示。可见其线性关系极好，曲线的斜率可由U( h)v( h )v 求得，即斜率为h 。密立根按图上求得的斜率值，并应用他以前油滴实验测得的电子eee电量 e 值，就可以算出普朗

12、克常数 h， h=6.56 10-27 尔格秒。这与普朗克按绝对黑体辐射定律中的常数计算值完全一致。用其他许多能发生光电效应的材料表面所做的实验，均在实验误差范围内，得到同样的结果。非常有趣的是密立根的精确的实验验证了爱因斯坦光电方程的正确性，却是完全与他预料的相反，密立根一直对爱因斯坦的光电子假设持保留态度。他说：“经过十年之久的试验、变换和学习，有时甚至还要出差错，在这之后，我把一切努力从一开始就针对光量子发射能量的精密测量，测量它随温度、波长、材料（接触电势差）改变的函数的关系。与我自己的预料相反，这项工作终于在1914 年成了爱因斯坦方程式在很小实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应侧普朗克常量h，所得精度大约为0.5% ，这是当时所能得到的最佳值”。密立根在事实面前服从真理，反过来宣布爱因斯坦的光电方程完全得到证实，这是很值得后人