文档介绍：光电效应实验
光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展,具有里程碑式的意义。
自古以来,人们就试图解释光是什么,到17世纪,牛顿等人在研究几何光学现象的同时,根据光的直线传播性,提出光的微粒流学说。惠更斯等人在17世纪提出了光的波动学说,19世纪初,托马斯•杨发展了惠更斯的波动理论,成功地解释了干涉现象,并提出了著名的杨氏双缝干涉实验,为波动学说提供了很好的证据。1818年,年仅30岁的菲涅耳从光是横波的观点出发,圆满的解释了光的偏振和衍射。1856-1865年,麦克斯韦建立了电磁场理论,指出光是一种电磁波,光的波动理论得到确立。
1887年赫兹在用两套电极做电磁波的发射与接收的实验中,发现当紫外光照射到接收电极的负极时,接收电极间更易于产生放电,赫兹的发现吸引许多人去做这方面的研究工作。斯托列托夫发现负电极在光的照射下会放出带负电的粒子,形成光电流,光电流的大小与入射光强度成正比,光电流实际是在照射开始时立即产生,无需时间上的积累。1899年,汤姆逊测定了光电流的荷质比,证明光电流是阴极在光照射下发射出的电子流。赫兹的助手勒纳德从1889年就从事光电效应的研究工作,1900年,他用在阴阳极间加反向电压的方法研究电子逸出金属表面的最大速度,发现光源和阴极材料都对截止电压有影响,但光的强度对截止电压无影响,电子逸出金属表面的最大速度与光强无关,这是勒纳德的新发现,勒纳德因在这方面的工作获得1905年的诺贝尔物理奖。
光电效应的实验规律与经典的电磁理论是矛盾的,按经典理论,电磁波的能量是连续的,电子接受光的能量获得动能,应该是光越强,能量越大,电子的初速度越大;实验结果是电子的初速与光强无关;按经典理论,只要有足够的光强和照射时间,电子就应该获得足够的能量逸出金属表面,与光波频率无关;实验事实是对于一定的金属,当光波频率高于某一值时,金属一经照射,立即有光电子产生;当光波频率低于该值时,无论光强多强,照射时间多长,都不会有光电子产生。光电效应使经典的电磁理论陷入困境,包括勒纳德在内的许多物理学家,提出了种种假设,企图在不违反经典理论的前提下,对上述实验事实做出解释,但都过于牵强附会,经不起推理和实践的检验。
1900年,普朗克在研究黑体辐射问题时,先提出了一个符合实验结果的经验公式,为了从理论上推导出这一公式,他采用了玻尔兹曼的统计方法,假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成,能量子的能量为hn。爱因斯坦以他惊人的洞察力,最先认识到量子假说的伟大意义并予以发展。1905年,在其著名论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中写道:“在我看来,如果假定光的能量在空间的分布是不连续的,就可以更好的理解黑体辐射、光致发光、光电效应以及其它有关光的产生和转化的现象的各种观察结果。根据这一假设,从光源发射出来的光能在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中,而是由一个数目有限的局限于空间各点的光量子组成,这些光量子在运动中不再分散,只能整个的被吸收或产生。”作为例证,爱因斯坦由光子假设得出了著名的光电效应方程,解释了光电效应的实验结果。
密立根从1904年开始光电效应实验,历经十年,用实验证实了爱因斯坦的光量子理论。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献,分别于1921和1