揭秘光电效应的实验报告,人类意义非凡的物理发

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“光电效应”相信了解的朋友并不多，这不仅是物理学中一个重要而且神奇的现象，同样也给人来带来了诸多的便利。任何一种科学的发现与进步，对于人类的发展都有着极大的改变与好处。也相信很多朋友对此保留着不同的意见，或者说反对的声音，那么光电效应的实验报告，人类意义非凡的物理发现到底给我们带来了哪些便利呢？

光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的金属(如硒)上时，它的能量可以被该金属中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加;如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。

光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。

赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。

可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。

光电效应里电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关。光是电磁波，光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。

光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。

所以当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，电流也随之增大。

1.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,1857一1894）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，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，描述了这些现象。

2.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（.Hallack，1859一1922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。

3.爱因斯坦——光子理论解难题

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他苦苦地思索着，正在这个时候，理论物理学家普朗克发表了能量子的假设，成功地解决了黑体辐射的问题，爱因斯坦对晋朗克的能量子假设进行了研究后，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，就把它的全部能量传递给某一电子，每一份量子（即光子）的能量为hυ，h是普朗克常数υ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hυ=W+mv2/2

上式也称为光电方程，式中的hυ即为光子的能量，为每一个电子从金属表面逸出而必许克服的束缚能。mv2/2为电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hυ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，因为一个电子吸收两个奇事网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。原文地址http://.yi2./article/201606/13104.html

在物理学家关于气体或其他有重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间，有着深刻的形式上的分歧。这就是，我们认为一个物体的状态是由数目很大但还是有限个数的原子和电子的坐标和速度来完全确定的；与此相反，为了确定一个空间的电磁状态，我们就需要用连续的空间函数。

为了完全确定一个空间的电磁状态，就不能认为有限个数的物理量就足够了。按照麦克斯韦的理论，对于一切纯电磁现象因而也对于光来说，应当把能量看作是连续的空间函数，而按照物理学家的看法，一个有重客体的能量，则应当用其中原子和电子所带能量的总和来表示。一个有重物体的能量不可能分成任意多个、任意小的部分，而按照光的麦克斯韦理论（或者更一般地说，按照任何波动理论），从一个点光源发射出来的光束的能量，则是在一个不断增大的体积中连续地分布的。

用连续空间函数来运算的光的波动理论，在描述纯悴的光学现象时，已被证明是十分卓越的，似乎很难用任何别的理论来替换。可是不应当忘记，光学观测都间平均值有关，而不是同瞬时值有关，而且尽管衍射、反射、折射、色散等等理论完全为实验所证实，但仍可以设想，当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的现象上去时，这个理论会导致和经验相矛盾。

确实在我看来，关于黑体辐射，光致发光、紫外光产生阴极射线，以及其他一些有关光的产生和转化的现象的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释．似乎就更好理解。按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。

1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广。他指出不仅黑体和辐射场的能量交换是量子化的，而且辐射场本身就是由不连续的光量子组成，每一个光量子的能量与辐射场频率之间满足ε=hν，即它的能量只与光量子的频率有关，而与强度（振幅）无关。

1.爱因斯坦光电效应方程

根据爱因斯坦的光量子理论，射向金属表面的光，实质上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射光的频率过低，即光子流中每个光子能量较小，当他照射到金属表面时，电子吸收了这一光子，它所增加的ε=hν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。此时逸出电子的动能、光子能量和逸出功之间的关系可以表示成光子能量- 移出一个电子所需的能量（逸出功）=被发射的电子的最大初动能。

2.实验电路

根据爱因斯坦光量子理论，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，故可以解释实验规律的第一、第二两条。其中的极限频率是指光量子的能量刚好满足克服金属逸出功的光量子频率，而不同的金属电子逸出所需要的能量不同，所以不同金属的极限频率不同。对第三条，由于当光量子的能量足够，不管光强（只决定于光量子的数目）如何，电子在吸收了光量子后都可马上逸出，故可立即产生光电效应，不需要积累过程。当光照射到金属表面时，其强度越大表明光量子数越多，它被金属中电子吸收的可能性越大，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。

光电效应的实验报告，是人类意义非凡的物理发现，我们也由此可见爱因斯坦在这个发现中功不可没。这些伟大的人不仅给人类的生活带来了剧烈的改变，同样也从侧面证实了人的潜能是无穷的。1905年，爱因斯坦阅读了普朗克的那些早已被大部分权威和他本人冷落到角落里的论文，量子化的思想深深的打动了他，他感觉到，对于光来说，量子化也是一种必然的选择。看吧其实无论如何强大的人也只是拾起了你所丢弃的琐碎时间，便完成了一件大事，那么我们也不妨拾起这些时间，一起做些有意义的事吧。