神奇的光电效应|也是个意外发现

德国著名物理学家赫兹是电磁波的发现者.

紫外线照射到金属表面时,能使金属发射带电粒子电流,由光生电,这种后来被称为光电效应的神奇现象竟然是赫兹实验中意外的发现,莱纳德得到了一个用经典物理学无法解释的实验结果,爱因斯坦极具想像力的理论解释因没有直接的实验数据支持得不到学术界的支持,而本想用实验证明爱因斯坦理论有误的密立根却用10年的实验证实了爱因斯坦的理论正确无误。20世纪物理学的发展历史充分证明了这个意外发现的光电效应的重大科学价值。

1887年,当时赫兹正在用两套放电电极,一套产生振荡,发出电磁波;另一套充当接收机构。放电产是隙可随意调节,用以指示接收到的信号强弱。

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Εk =hν-Wo(Wo为逸出功)

为了便于观察,赫有一次偶然把次回路整个放在暗箱中,他注意到,次回路的最大火花长度明显变小了。于是他挪动暗箱的位置,弄清了这是由于箱体挡住了原回路和次回路之间的通道所致。赫兹的工作非常认真,他没有放过这一偶然现象,于是专门安排了一个实验来研究它。他采用的线路用两套感应线圈分别向二套放电电极供电,一套感应线圈的原线圈串联起来拉同一电源,用一个开关控制。大的感应圈给出火花A,约长1厘米;另一感应线圈给出火花B,约长1毫米,从微调螺旋可以测出两极之间的距离,然后,他用各种材料挡在两个火花之间,读取火花B的最大长度。

如果入射光子的能量hν
大于逸出功Wo,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样,所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功Wo
指从原子键结中移出一个电子所需的最小能量,所以如果用Ek
表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式 Ek =hν – W
o(其中,h 表示普朗克常量,ν
表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。即:光子能量
= 移出一个电子所需的能量(逸出功) + 被发射的电子的动能。

他比较了导体和非导体的作用,确定没有什么不同,证明不是静电或电磁的屏蔽作用,接着,他又用各种透明的和不透明的材料进行实验,发现能透光的玻璃仍然能起隔离作用。看来光的因素也应排除。再埋一步实验,发现岩盐、冰糖、明矾起的隔离作用很差,而水晶和透明石膏最好,几乎不起隔离作用,几厘米厚都不影响放电,赫兹还改变电极之间的远近,变换电极所有材料,用各种不同的液体甚至不同气压的气体作为屏蔽物,又做了反射、折射等试验。最后鸪是紫外线在起作用。当紫外线照到负电极时,效果最为明显,说明负电极更容易放电,赫兹的论文《紫外光对放电的影响》发表在1887年《物理学年鉴》上。论文详细描述了他的了发现。

当光子能量等于逸出功时,电子动能为零。虽然电子会逸出但会停留在金属表面。

赫兹的论文发表后,立即引起了广泛的反响,许多国家的物理学家纷纷投到光电效应的研究中来,因为当时人们误以为光直接变成了电,如果真是这样,岂不是一大好事。

发生光电效应时,电子克服金属原子核的引力逸出时,具有的动能大小不同。金属表面上的电子吸收光子后逸出时动能的最大值,称为最大初动能。

从1888年到1898年,每年差不多都有好几篇甚至十几篇关于光电效应的论文发表,这些研究逐渐提示了光电效应的本质。1899年,汤姆生测出了光电流的荷质比,证明光电流也是由电子组成,光电效应就是由于光照射金属电极,使金属内部的自由电子猁能量而逃逸到空间的一种现象。

电子吸收光子的能量后,可能向各个方向运动,有的向金属内部运动,有的向外运动,由于路程不同,电子逃逸出来时损失的能量不同,因而它们离开金属表面时的初动能不同。只有直接从金属表面飞出来的电子的初动能最大,这时光电子克服原子核的引力所做的功叫这种金属的逸出功。

意外发现的奇特效应

1886年10月,德国的海因里希·赫兹(Heinrich Rudolf
Hertz,1857-1894)为证实麦克斯韦的电磁理论正忙于做火花放电实验。他的实验装置包括两套放电电极,一套用于产生振荡,发出电磁波;另一套充当接收器。赫兹细致地观察两个放电火花之间的干涉现象及其影响因素,检验电磁波的存在。研究电磁波性质的实验进行得挺成功,但赫兹并不满足,仍在想法改进实验装置。

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德国物理学家海因里希·赫兹(图片来自网络)

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赫兹实验的电路图(图片来自网络)(a、e为感应圈,b为电池,感应圈a与电极d相连,感应圈e与电极f相连,
c为水银开关,p为隔板)

1886年12月初,他为了便于观察,很偶然地把接收器部分用个暗箱罩上了,实验中他意外发现接受电极间的放电火花变短了。这罕见的现象令赫兹百思不解,他又设置了不同的实验条件,继续进行细致观察。他变动两套电极之间的距离、改变接收器周围的气压、分别屏蔽两套电极、用光谱不同区域的光及不同的光源照射接收器、在两套电极之间插入不同材质的金属板等,最终发现这种现象的发生既非电磁的屏蔽作用,也不由可见光照射引起,只是当紫外线照在负电极上时能看到最明显的效果。1887年,赫兹在《物理学年鉴》上发表了题为《论紫外光对放电的影响》的论文,描述了他的发现。该论文引起了广泛的反响,吸引了不少物理学家对此现象进行研究。

赫兹后来回顾这段经历时说:“在光和电现象之间,这种直接的相互作用的关系还是极其罕见的”,“这是一种令人惊奇而全然无知的效应”。这个光能变成电能的奇特效应后来被称为光电效应。

无法解释的实验结果

1891年,德国的菲利普·莱纳德(Philipp Eduard Anton
vonLénárd,1862-1947)在赫兹的指导下开始从事阴极射线特性的研究,但他对赫兹发现的光电效应也十分感兴趣。1902年,在阴极射线研究取得突破性进展后,莱纳德便将自己的研究方向转向了光电效应。他用实验对产生光电效应过程中各相关物理量间的关系进行研究,发现了一个重要规律:光电效应产生的光电子数目随入射光的强度增加而增加,但光电子的速度,或者说它们的动能只与入射光的频率有关,而与入射光的强度无关。莱纳德的这个实验结果用经典物理学无法解释,且与当时的物理学理论相冲突。根据经典理论,电子接受光的能量获得动能,光越强能量越大,电子的速度也就越快。

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德国物理学家菲利普·莱纳德(图片来自网络)

极具想像力的理论

1905年3月,26岁的犹太裔的阿尔伯特·爱因斯坦(Albert
Einstein,1879-1955)当时还是瑞士伯尔尼专利局的三级技术员,他受普朗克量子假设的启发,极具想像力地运用相对论和光量子理论解释了莱纳德光电效应实验的结果,列出了光电方程式,他在德国《物理年鉴》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个试探性观点》论文。

为何光电子能量只与入射光频率有关而与入射光强度无关?如果入射光束的强度微弱,但只要具有足够高的频率,一定会产生一些高能量光子来促使束缚电子逃逸。而辐照度很强的入射光束,如果频率低于某个临界频率则无法给出任何高能量光子来促使束缚电子逃逸。

爱因斯坦的这些论述与詹姆斯·麦克斯韦光的波动理论相互矛盾,无法解释光波的折射性与相干性(光的波动理论已经过严格的理论检验,并通过精密实验给予证明),且该论述与物理系统的能量“无穷可分性假说”也相互矛盾,加之爱因斯坦的理论分析没有直接的实验数据支持,因而当时没有得到学术界的支持和理解。

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犹太裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(图片来自网络)

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