爱因斯坦和光电效应VIP免费

首都师范大学学报(自然科学版)第26卷�第4期2005年12月JournalofCapitalNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.26,No.4Dec.�2005爱因斯坦和光电效应蒋长荣�刘树勇(首都师范大学物理系,北京�100037)摘要��介绍了光电效应的发现、光电效应理论解释、密立根光电效应实验,着重讨论了爱因斯坦在1905年提出光量子概念,从而正确解释光电效应的工作.关键词:赫兹,光电效应,勒纳,爱因斯坦,密立根,康普顿.中图分类号:O4-09收稿日期:2005�02�05��光电效应最早是德国物理学家赫兹(H�Hertz,1857~1894)于1886年发现的,后经德国物理学家勒纳(P�Lenard,1862~1947)等人对其规律进行了进一步研究.1905年,爱因斯坦提出�光量子概念,从理论上解释了光电效应,然而他的解释却受到了学术界的普遍质疑,这种情况直到密立根(R�H.Millikan,1868~1953)的实验后才得以改变.1921年,爱因斯坦因对理论物理学所作的贡献,特别是因从理论上解释了光电效应定律而获得了诺贝尔物理奖.从1886年赫兹发现光电效应到1921年爱因斯坦因光电效应定律获奖,人们对光电效应的研究经历了30多年,可见其认识历程之曲折.1�赫兹发现光电效应和勒纳的实验研究1�1�赫兹对光电效应的发现[1]光电效应最初是赫兹在1886年12月进行电磁波实验研究中偶然发现的.尽管是在偶然的情况下发现这一效应的,但他立刻意识到它的重要性,因此,在以后的几个月中他暂时放下了手头上的电磁波研究工作,对这一现象进行了专门的研究.1887年5月底,赫兹将几个月来的研究成果写成研究论文!论紫外线对放电的影响∀寄给了!物理年鉴∀.赫兹这唯一一篇关于光电效应的论文,详细描述了他如何注意照射到次级火花隙极片上的光增强了隙间火花.为了弄清光是如何使火花增强的,他分别用铜、黄铜、铝、铁、锡等不同金属材料作为电极片进行实验,又使用不同光源如火光、阳光、电弧光等进行实验,他还在光源和火花隙之间放置各种气体、液体和固体进行实验.根据这些实验的结果,他推断使火花明显增强的有效辐射有一个接近可见光谱的极限.为此,他又使用石英棱镜色散不同光源进行实验,结果发现使火花增强的辐射的确都是紫外光.虽然赫兹没能给光电效应以合理的解释,但他认识到了它的重要性.1887年7月7日,赫兹用最浅显的术语写信向他父亲解释他的光电效应的研究.他在信中概述了他的研究情况:�这个效应是明显的,然而又是令人迷惑的.如果少一些迷惑,那自然更好;但不能轻易解开谜底也并非坏事,因为一旦谜底揭开,将会有许多新的事实被澄清.[2]1�2�勒纳等人的研究赫兹的论文发表后,光电效应成了19世纪末物理学中的一个非常活跃的研究课题.在以后10年中,各国科学家对此发表的论文近百篇.1888年,哈尔瓦克(W�Hallwachs,1859~1922)拓展了赫兹的工作,进一步实验发现若用紫外线照射金属板时,从金属板向外产生一带负电荷的粒子流.无论金属板最初是不带电或带有负电荷,这种现象都会出现.后来,埃尔斯特(Elster)和盖特尔(Geitel)发现不同金属发生光电效应所需光的波长不同.对于碱金属元素钠、钾、铷,仅用可见光就会产生光电效应.埃尔斯特还发现光电效应中产生的带负电的质点的荷质比与电子的荷质比相同,从而证实光电效应中产生的带负电的质点就是电子,称为光电子.勒纳是赫兹的助手和学生,很早就对光电效应产生了兴趣.当勒纳对阴极射线的研究取得突破性进展后,他回到了对光电效应的问题上来.为了加速电子的速度和测量它们的能量,勒纳发明了一种�光电管.这是一种类似于我们今天的�三极管的仪器.不同之处在于他的�光电管的阴极发射的电子是用光照射出的,而三极管中的阴极是白炽灯丝,可向真空中发射很强的电流.这种�光电管的发明,可以让他进行定量实验,大大方便了他的研究.1902年他发表论文介绍他的研究成果.勒纳得出,发射的电子数正比于入射光所带能量.电子的速度和动能与发射的电子数目完全无关,而只与光波长有关,波长减小动能增加.每种金属对应一特定频率,当入射光小于这一频率时,不发生光电效应.勒纳虽然对光电效应的规律认识得很清楚,但对其解释却是错误的.他认为:�##逸出的能量并不完全来自紫外线,而是来自特定原子的内部.紫外线只起激发作用,很象引信点燃装了子弹的枪一样....