光电效应的发现

时间:2018-05-03  栏目:百科知识  点击:58 次

光电效应的发现

普朗克的量子假说提出后,第一个认真考虑他的观点的是阿尔伯特·爱因斯坦。

普朗克的假设违反“连续性”的经典物理,并且以“假设光波振动的解释”解释不连贯的量子能量传递,使多数科学家不能接受。

以上问题在爱因斯坦解决“光电效应”问题之后,变得明晰起来。而爱因斯坦也因此而获得1922年诺贝尔物理学奖。

光电效应是在光的照射下金属表面发射电子的现象。

1887年,威廉·哈尔瓦克斯发现了一种现象,用紫外线照射带负电压的验电器金属板,验电器就放电,光线由金属“打出”电子,现在的光电管原理就在于此。

继1887之后,俄国学者斯托列托夫等人也做了多次同类型的实验,确证了这个事实,并证明被光照过的金属板带的是正电。(www.guayunfan.com)

人们开始定量地研究这种现象并测试“光电子”所带能量。结果发生矛盾。根据经典物理学定律,光电子的能量会随光度增加而逐渐增加,但实验中发现,光的强度虽然增加了,光电子的数量增加了,但能量却没有变化。

令人们百思不得其解的是,光电子的能量和照射光的频率有关。照射光的频率越高,光电子能量越大。这就是爱因斯坦的观点所在。

1905年,爱因斯坦发表了3篇论文。其中一篇《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文认为,在1899至1902年之间,德国学者赫兹的助手勒纳德提出光电效应中经典波动理论无法解释的三点是光的微粒性质的实验证据。

勒纳德提出:

其一,每一种金属表面都存在一个特征截止频率,频率再小,不管光强多大,都不能发生光电效应。

其二,射出的光电子动能只同入射光频率有关,同光强无关。

其三,只要入射光频率超过截止的那个频率,无论怎样强弱,都会立即引发光电效应。

在论文中,爱因斯坦把普朗克的量子说和光的微粒观点相结合,提出光量子假说。光是由光子也是能束和能粒子所组成。牛顿曾经想到过的粒子观点被波说取代后,在爱因斯坦这里吸收了他的有益思考。

爱因斯坦认为,一束单色光,是一束以光速运动的粒子流,这些粒子称为光量子,也就是光子。每个光子都有一定的能量,这个以通过频率计算,用普朗克常数与频率相乘,可得出每个光子的能量。

一束光的能量就是发射出的光子能量之总和,一定频率的光,光子的数目越多,光的强度就越大。

光电子能量和入射光频率之间的关系对古典经典物理学而言,是无法解释的。频率和能量的紧密关系要求人们利用普朗克常数。

爱因斯坦正是在普朗克的基础上而比普朗克更革命。爱因斯坦考虑了途中发生的事情。也就是说量子是否按波的形式传播或是一成不变。爱因斯坦假设能量按一个量子传播。光辐射也是由微粒子,即一种“能量小包”组成的。这些微粒子以光速飞越空间,粒子能量是由频率和作用量子的乘积得出,意味着频率对光电子的影响。

光电效应是由于金属中的自由电子吸收了光子能量从金属中溢出而发生的。电子吸收一个光子便获得了一份能量,这份能量一部分被消耗,因为电子从金属表面溢出要做功;一部分就是电子逃离时的动能。

h为普朗克常数,电子从金属表面溢出所做的功为A,速度为v,则有:hv=A+1/2mv2,这就是爱因斯坦方程。

爱因斯坦的光量子理论,虽然能正确地解释光电效应,但仍然没能广泛承认,就连普朗克这位最早提出量子论的人,也认为爱因斯坦的理论“太过分”了。

原因就在于我们前面所说的“途中”。普朗克只认为电磁波在发射和吸收能量时是一份一份的,而爱因斯坦认为在传播过程中也具有这样的性质。

爱因斯坦理论的提出,使人们对光本质的认识前进了一大步。他重新引入微粒观,又肯定了波动的意义。主要是由于爱因斯坦的工作,使得光的波粒二象性确立,即光有时表现有波动性,有时表现为粒子性。

实验中的“斯托克斯定律”是爱因斯坦理论的证明。斯托克斯定律是:如果光碰上一块发荧光的平面,那么荧光的频率几乎总是比较低的,决不会高过引发辐射的频率。如果用波动理论,则无法解释,在光量子的假说中,通过爱因斯坦方程可以看到,打在屏幕上的量子放出一部分能量,因此被反射的量子能量较小,频率也较小。

另外,照相底板受到光照时,即使光线强度极弱,感光层的某些小颗粒也会起变化,而感光层的其他部分则依旧如故。这证明是光量子命中的部分引起变化。

美国物理学家密立根激烈地反对光量子理论,他花了10年时间,企图用实验来否定爱因斯坦。为了研究爱因斯坦方程,他把频率已知的单色光落到一块板上,然后尽量准确地测出放出的光电子能量。他用这种方法得出的普朗克常数与普朗克公式韵常数完全一致。

根据种种实验,光既有波的性质,又有粒子的性质,爱因斯坦的关于光是粒子组成的理论,没有让现代科学家放弃光的波动,而是有机统一且辩证地结合起来,即光的波粒二象性得到确立。

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