紫外線照射到金屬表面時(shí)，能使金屬發(fā)射帶電粒子電流，由光生電，這種后來(lái)被稱(chēng)為光電效應(yīng)的神奇現(xiàn)象竟然是赫茲實(shí)驗(yàn)中意外的發(fā)現(xiàn)，萊納德得到了一個(gè)用經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，愛(ài)因斯坦極具想像力的理論解釋因沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持得不到學(xué)術(shù)界的支持，而本想用實(shí)驗(yàn)證明愛(ài)因斯坦理論有誤的密立根卻用10年的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦的理論正確無(wú)誤。20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展歷史充分證明了這個(gè)意外發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)的重大科學(xué)價(jià)值。

Εk =hν－Wo(Wo為逸出功)

如果入射光子的能量hν 大于逸出功Wo，那么有些光電子在脫離金屬表面后還有剩余的能量，也就是說(shuō)有些光電子具有一定的動(dòng)能。因?yàn)椴煌碾娮用撾x某種金屬所需的功不一樣，所以它們就吸收了光子的能量并從這種金屬逸出之后剩余的動(dòng)能也不一樣。由于逸出功Wo 指從原子鍵結(jié)中移出一個(gè)電子所需的最小能量，所以如果用Ek 表示動(dòng)能最大的光電子所具有的動(dòng)能，那么就有下面的關(guān)系式 Ek =hν - W o（其中，h 表示普朗克常量，ν 表示入射光的頻率），這個(gè)關(guān)系式通常叫做愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。即：光子能量 = 移出一個(gè)電子所需的能量（逸出功） + 被發(fā)射的電子的動(dòng)能。

當(dāng)光子能量等于逸出功時(shí)，電子動(dòng)能為零。雖然電子會(huì)逸出但會(huì)停留在金屬表面。

發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電子克服金屬原子核的引力逸出時(shí)，具有的動(dòng)能大小不同。金屬表面上的電子吸收光子后逸出時(shí)動(dòng)能的最大值，稱(chēng)為最大初動(dòng)能。

電子吸收光子的能量后，可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，有的向金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，有的向外運(yùn)動(dòng)，由于路程不同，電子逃逸出來(lái)時(shí)損失的能量不同，因而它們離開(kāi)金屬表面時(shí)的初動(dòng)能不同。只有直接從金屬表面飛出來(lái)的電子的初動(dòng)能最大，這時(shí)光電子克服原子核的引力所做的功叫這種金屬的逸出功。

意外發(fā)現(xiàn)的奇特效應(yīng)

1886年10月，德國(guó)的海因里?！ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz，1857-1894）為證實(shí)麥克斯韋的電磁理論正忙于做火花放電實(shí)驗(yàn)。他的實(shí)驗(yàn)裝置包括兩套放電電極，一套用于產(chǎn)生振蕩，發(fā)出電磁波；另一套充當(dāng)接收器。赫茲細(xì)致地觀察兩個(gè)放電火花之間的干涉現(xiàn)象及其影響因素，檢驗(yàn)電磁波的存在。研究電磁波性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行得挺成功，但赫茲并不滿足，仍在想法改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

德國(guó)物理學(xué)家海因里希·赫茲（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

赫茲實(shí)驗(yàn)的電路圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）（a、e為感應(yīng)圈，b為電池，感應(yīng)圈a與電極d相連，感應(yīng)圈e與電極f相連， c為水銀開(kāi)關(guān)，p為隔板）

1886年12月初，他為了便于觀察，很偶然地把接收器部分用個(gè)暗箱罩上了，實(shí)驗(yàn)中他意外發(fā)現(xiàn)接受電極間的放電火花變短了。這罕見(jiàn)的現(xiàn)象令赫茲百思不解，他又設(shè)置了不同的實(shí)驗(yàn)條件，繼續(xù)進(jìn)行細(xì)致觀察。他變動(dòng)兩套電極之間的距離、改變接收器周?chē)臍鈮?、分別屏蔽兩套電極、用光譜不同區(qū)域的光及不同的光源照射接收器、在兩套電極之間插入不同材質(zhì)的金屬板等，最終發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象的發(fā)生既非電磁的屏蔽作用，也不由可見(jiàn)光照射引起，只是當(dāng)紫外線照在負(fù)電極上時(shí)能看到最明顯的效果。1887年，赫茲在《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表了題為《論紫外光對(duì)放電的影響》的論文，描述了他的發(fā)現(xiàn)。該論文引起了廣泛的反響，吸引了不少物理學(xué)家對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行研究。

赫茲后來(lái)回顧這段經(jīng)歷時(shí)說(shuō)：“在光和電現(xiàn)象之間，這種直接的相互作用的關(guān)系還是極其罕見(jiàn)的”，“這是一種令人驚奇而全然無(wú)知的效應(yīng)”。這個(gè)光能變成電能的奇特效應(yīng)后來(lái)被稱(chēng)為光電效應(yīng)。

無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1891年，德國(guó)的菲利普·萊納德（Philipp Eduard Anton vonLénárd，1862-1947）在赫茲的指導(dǎo)下開(kāi)始從事陰極射線特性的研究，但他對(duì)赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)也十分感興趣。1902年，在陰極射線研究取得突破性進(jìn)展后，萊納德便將自己的研究方向轉(zhuǎn)向了光電效應(yīng)。他用實(shí)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)生光電效應(yīng)過(guò)程中各相關(guān)物理量間的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要規(guī)律：光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子數(shù)目隨入射光的強(qiáng)度增加而增加，但光電子的速度，或者說(shuō)它們的動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。萊納德的這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果用經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋?zhuān)遗c當(dāng)時(shí)的物理學(xué)理論相沖突。根據(jù)經(jīng)典理論，電子接受光的能量獲得動(dòng)能，光越強(qiáng)能量越大，電子的速度也就越快。

德國(guó)物理學(xué)家菲利普·萊納德（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

極具想像力的理論

1905年3月，26歲的猶太裔的阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）當(dāng)時(shí)還是瑞士伯爾尼專(zhuān)利局的三級(jí)技術(shù)員，他受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，極具想像力地運(yùn)用相對(duì)論和光量子理論解釋了萊納德光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，列出了光電方程式，他在德國(guó)《物理年鑒》上發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》論文。

為何光電子能量只與入射光頻率有關(guān)而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)？如果入射光束的強(qiáng)度微弱，但只要具有足夠高的頻率，一定會(huì)產(chǎn)生一些高能量光子來(lái)促使束縛電子逃逸。而輻照度很強(qiáng)的入射光束，如果頻率低于某個(gè)臨界頻率則無(wú)法給出任何高能量光子來(lái)促使束縛電子逃逸。

愛(ài)因斯坦的這些論述與詹姆斯·麥克斯韋光的波動(dòng)理論相互矛盾，無(wú)法解釋光波的折射性與相干性（光的波動(dòng)理論已經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的理論檢驗(yàn)，并通過(guò)精密實(shí)驗(yàn)給予證明），且該論述與物理系統(tǒng)的能量“無(wú)窮可分性假說(shuō)”也相互矛盾，加之愛(ài)因斯坦的理論分析沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，因而當(dāng)時(shí)沒(méi)有得到學(xué)術(shù)界的支持和理解。

猶太裔物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

歷經(jīng)10年的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

美國(guó)的羅伯特·密立根（Robert Andrews Millikan，1868-1953）注意到了愛(ài)因斯坦的這篇論文，他并不認(rèn)同愛(ài)因斯坦的理論。在此后的十年，他花了很大精力進(jìn)行光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，本意是希望進(jìn)一步證明經(jīng)典理論的正確性。他的實(shí)驗(yàn)技術(shù)精湛，對(duì)光電效應(yīng)中的幾個(gè)重要物理量進(jìn)行了精確的測(cè)量。

美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·密立根（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

密立根實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

密立根的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：6根曲線分別對(duì)應(yīng)于汞的6根特征譜線（橫坐標(biāo)為電壓，縱坐標(biāo)為光電流）（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

1916年，密立根發(fā)表了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，列出了6種不同頻率的單色光測(cè)量反向電壓的截止值與頻率關(guān)系的曲線，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦1905年提出的光電方程式，反而證實(shí)了愛(ài)因斯坦的理論正確無(wú)誤。

愛(ài)因斯坦對(duì)密立根的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)給予高度評(píng)價(jià)，他指出：“我感激密立根關(guān)于光電效應(yīng)的研究，它第一次判決性地證明了在光的影響下電子從固體發(fā)射與光的振動(dòng)周期有關(guān)，這一量子論的結(jié)果是輻射的粒子結(jié)構(gòu)所特有的性質(zhì)?！?/p>

正是由于密立根全面地證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光電方程，光電效應(yīng)從理論和實(shí)驗(yàn)方面均得到了確認(rèn)，光量子理論開(kāi)始得到學(xué)術(shù)界的承認(rèn)，而20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展歷史也充分證明了這個(gè)意外發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)的重大科學(xué)價(jià)值。

愛(ài)因斯坦因?yàn)椤皩?duì)理論物理學(xué)的成就，特別是光電效應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)”獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而密立根因?yàn)椤瓣P(guān)于基本電荷以及光電效應(yīng)的工作”獲得了1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近百年來(lái)，以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的各類(lèi)光電探測(cè)器已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、軍事、冶金、電子、機(jī)械、化工、地質(zhì)勘探、醫(yī)療、生物醫(yī)藥和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

參考資料

1、錢(qián)長(zhǎng)炎，赫茲對(duì)光電效應(yīng)的研究及其歷史意義，《自然雜志》第25卷第2期

2、光電效應(yīng)理論的是怎樣被承認(rèn)的，http://learning.sohu.com/20160511/n448807177.shtml

3、Secondary electronemission from insulators，https://en./wiki/Louis_Winslow_Austin；http://onlinelibrary./doi/10.1002/andp.19023141003/abstract

4、郝詳、石亞?wèn)|，“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)的發(fā)展脈絡(luò)，《物理通報(bào)》2015年第8期

5、Baidu百科，光電效應(yīng)，http://baike.baidu.com/link?url=oSWl8MGMtMqRiXsTXI21ooyNNZkKtCxq3VoEKI90VgwwD2SOb-v4stDA6ExI9XxoJljD08w6Itg-SojrcbIHNtDLbxzt_K_Fn4laUwT1fIIb3munTD0Mx0Wlb4dcrTbq

6、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，http://edu6./tkc471a/1/11gdxy.htm