【原】光電效應(yīng)的規(guī)律

cosmos2062 2022-07-14 發(fā)布于廣東

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當(dāng)我們征服一個(gè)又一個(gè)高峰后，可以看到在我們面前充滿了趣味和美麗，但我們沒有看到目標(biāo)，沒有看到地平線。因?yàn)檫h(yuǎn)處還有更高的山峰，登上去，我們將有更開闊的視野。科學(xué)的每一個(gè)進(jìn)步都使我們更加感嘆“上帝的工作何等偉大！”

——湯姆遜，電子的發(fā)現(xiàn)者

19世紀(jì)60年代是科學(xué)發(fā)展史中一個(gè)重要的年代。在那幾年，麥克斯韋總結(jié)和發(fā)展了此前電學(xué)和磁學(xué)領(lǐng)域里的工作，提出了一組關(guān)于電場和磁場的數(shù)學(xué)方程。在這組方程中，電場、磁場、電荷和電流相互糾纏在一起，描寫了復(fù)雜的電磁現(xiàn)象。通過求解這組數(shù)學(xué)方程可以預(yù)言，電場和磁場相互交錯(cuò)以電磁波的形式傳播，并且還能預(yù)言光也是一種電磁波。

在麥克斯韋建立經(jīng)典電磁理論的年代，由于受到技術(shù)的限制，人們找不到產(chǎn)生和檢測電磁波的有效方法，因此，這個(gè)理論的預(yù)言一直沒能得到檢驗(yàn)。直到20年之后，赫茲找到了一種產(chǎn)生電磁波的簡單的方法，才使得檢驗(yàn)這個(gè)理論成為可能。




詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell，1831~1879)，英國物理學(xué)家，經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)立者。他建立的經(jīng)典電磁理論將電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了自然科學(xué)的第二次大綜合。		海因里希·魯?shù)婪颉ず掌?Heinrich Rudolf Hertz，1857~1894)，德國物理學(xué)家，于1888年首先證實(shí)了電磁波的存在。由于這個(gè)重大的貢獻(xiàn)，頻率的國際單位制單位赫茲以他的名字命名。

作為檢驗(yàn)電磁波實(shí)驗(yàn)的副產(chǎn)品，赫茲發(fā)現(xiàn)，如果用紫外線照射金屬電極，電極的表面就會(huì)發(fā)射電荷。這就是所謂的光電效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)之后，物理學(xué)家對這個(gè)現(xiàn)象做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但是，對其背后的產(chǎn)生機(jī)理卻一無所知。1896年，湯姆遜在研究氣體放電現(xiàn)象和陰極射線的過程中發(fā)現(xiàn)了電子，這讓人們意識(shí)到，光電效應(yīng)其實(shí)就是金屬表面附近的電子在受到紫外線的照射時(shí)逃離金屬表面的現(xiàn)象。


約瑟夫·約翰·湯姆遜(Thomson，Joseph John，1856~1940)，英國物理學(xué)家，電子的發(fā)現(xiàn)者。因在氣體放電的理論和實(shí)驗(yàn)研究方面的杰出貢獻(xiàn)，被授予1906年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

通過深入的研究，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，光電效應(yīng)有幾個(gè)重要的特點(diǎn)：

1.對某種金屬材料，存在一個(gè)臨界頻率，如果入射光的頻率比這個(gè)臨界頻率低，那么，不管光的強(qiáng)度有多強(qiáng)，都觀測不到有電子逃離金屬表面；

2.每一個(gè)逃離金屬表面的電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，入射光的強(qiáng)度只影響到單位時(shí)間內(nèi)從單位面積的表面上逃離的電子的數(shù)目；

3.如果入射光的頻率高于臨界頻率，那么，無論光強(qiáng)有多微弱，在光照的同時(shí)立刻就有電子逃離金屬的表面。

光電效應(yīng)的這幾個(gè)特性，從原則上講無法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論來解釋。

根據(jù)經(jīng)典電磁理論，原子中的電子是否能夠以及需要等待多長時(shí)間才能夠逃離金屬的表面，與入射光的頻率沒有任何關(guān)系，只與入射光的強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)一束尋常強(qiáng)度的光照射到一塊宏觀大小的金屬的表面上時(shí)，由于金屬表面附近分布的原子的數(shù)目非常巨大，因此，不管這束光的強(qiáng)度有多強(qiáng)，平均分配到每個(gè)原子上去的能量是很少的。由于這個(gè)原因，當(dāng)光照射到金屬的表面上時(shí)，原子中的電子就必須等待足夠長的時(shí)間，才能攢到足夠的能量掙脫正電荷的束縛而逃離金屬的表面。根據(jù)經(jīng)典電磁理論的計(jì)算，如果用強(qiáng)度較弱的光照射金屬的表面，需要等待幾秒鐘才會(huì)有電子逃出來。

利用經(jīng)典電磁理論所做的以上分析和判斷與實(shí)驗(yàn)事實(shí)完全矛盾。由此看來，經(jīng)典電磁理論從原則上無法解釋光電效應(yīng)的基本特性。