2科学的转折光的粒子性

第十七章2科学的转折光的粒子性 光究竟是什么这似乎不应再是一个问题。因为从19世纪初开始，托马斯杨、菲涅 耳、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振现象，这等于对微粒说宣判了死刑。19 世纪60年代和80年代，麦克斯韦和赫兹先后从理论上和实验上确认了光的电磁波本质，光 的波动理论似乎已经完美了。 既然如此，为什么又要谈论“光的粒子性”呢 不断发现和认识新现象，进而理解事物的本性，这是一切科学发展的必由之路。人类对 光的研究也是如此。重新提出“光的粒子性”，恰恰展示了曲折的认识过程。科学在这里又 一次转折 演示 把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板图17.2-1,观察验电器指针的变 化。 这个现象说明了什么问题 光电效应的实验规律 1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更 容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应，也是赫兹细致观察的意外收获。后来这一现 象引起许多物理学家的关注。德国物理学家P.勒纳德P. Lenard、英国物理学家J. J.汤 姆孙J. J. Thomson, 1856-1940等相继进行了实验研究，证实了这个现象，即照射到金 属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应photoelectric effect。 可以用图17.2-2的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色频 率等物理量间的关系。阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光 照时能够发射光电子。K与A之间电压的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。电源 按图示极性连接时，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。 窗口 光束 图17.2-2研究光电效应的电路图 实验发现了以下规律。 存在着饱和电流 在光照条件不变的情况下，随着所加电压增大，光电流趋于一个饱和值。也就是说，在 电流较小时电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电 流也不会增大了，如图17.2-3所示。 1黄光（强） 蓝光 黄光（弱） Uci Uc2 OU 图17.2-3光电流与电压的关系 这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的，电 压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。 实验表明，入射光越强，饱和电流越大。这表明入射光越强，单位时间内发射的光电子 数越多。 存在着遏止电压和截止频率 当所加电压U为零时，电流/并不为零。只有施加反向电压，也就是阴极接电源正极、 阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流才有可能为零。使光电流减 小到零的反向电压化称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。众 多光电子的初速度不一定一样，它的上限％应该满足以下关系 12 万 e Uq1 实验表明，对于一定颜色频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光 的频率v改变时，遏止电压耳也会改变，如图17.2-3所示。这表明光电子的能量只与入射 光的频率有关，而与入射光的强弱无关。 从实验中还可以看出，当入射光的频率减小到某一数值％时，即使不施加反向电压也 没有光电流，这表明已经没有光电子了。％称为截止频率cutoff frequency或极限频率。 这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。实验表明，不同金属的截 止频率不同。 光电效应具有瞬时性 当频率超过截止频率％时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流。 精确测量表明产生电流的时间不超过109s,即光电效应几乎是瞬时的。 光电效应解释中的疑难 光的电磁理论只能部分地解释光电效应。 人们知道，金属中原子外层的价电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高 时，电子并不能大量逸出金属表面，这表明金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电 子要从金属中挣脱出来，必须克服这种阻碍做功。使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫 做这种金属的逸出功work function,用阳o表示。不同金属的逸出功不同，见表1。 表1几种金属的逸出功和极限频率1 金属 鸨 钙 钠 钾 枷 vj 1014 Hz 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15 eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13 当光照射金属表面时，电子吸收能量。若电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过 逸出功，电子就从表面逸出，这就是光电子。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 这些结论与实验相符。 但是，按照光的电磁理论，还应得出如下结论①光越强，光电子的初动能应该越大, 所以遏止电压C4应该与光的强弱有关；②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以 获得足够能量以而逸出表面，不应存在截止频率；③如果光很弱，按经典电磁理论估算，电 子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于10-9 So 这些结论与实验结果相矛盾。此外，对于遏止电压化与光的频率V的关系，经典电磁理论 更是无法解释。 众多的疑难呼唤着新的思想、新的观念、新的理论。 1当金属表面涂敷其他物质时，逸出功会有显著改变。 爱因斯坦的光电效应方程 普朗克的能量子假说是对经典物理学思想与观念的一次突破，连普朗克本人都很犹豫, 多数物理学家自然更难接受。所以在开始的几年里它没有受到重视，物理学界几乎没有去讨 论它。最早认识到能量子意义的是年轻的爱因斯坦，他在1905年发表了关于光的产生和 转化的一个试探性观点一文。他表示，普朗克关于辐射问题的崭新观点还不够彻底，仅仅 认为电磁波在吸收和辐射时才显示出不连续性，这还不够，实际上电磁辐射本身就是不连续 的，也就是说，光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分 割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为Zzv,力为普朗克常量。这些能量子后来称为光 子photon o 常温下金属中电子的热运动能量约为4X10-2 eV,比产生光电效应的光子能量hv 约 75 eV小得多，可以忽略。 按照爱因斯坦的理论，在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv, 这些能量的一部分用来克服金属的逸出功仍，剩下的表现为逸出后电子的初动能及，即 hvEWo 或 EhvWo2 式中Ek为光电子的最大初动能，Ek mev2o 电子吸收光子后从金属中逸出时，除了要做逸出功外，有时还要克服原子的其他束缚而 做功，这时光电子的初动能就比2式中的瓦小。因此，以下把Ek称做“最大”初动能。 上面2式称为爱因斯坦光电效应方程。从下面的讨论可以看出，这个方程使得光电 效应中理论与实验的矛盾迎刃而解。 爱因斯坦方程表明，光电子的最大初动能母与入射光的频率v有关，而与光的强 弱无关。只有当hvW0时，才有光电子逸出，％导就是光电效应的截止频率。 电