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科学火炬众接力 三十年探索不寻常 ——光电效应的发现历程 杨发文·王克诚 在量子理论的发展史中，光电效应有着特殊意义。它的研究经历了曲折的过程。 一、赫兹——紫外光照射显异常 所谓光电效应就是电子在光的作用下，从金属表面发射出来的现象。最早由德国物理学家赫兹（H. R. Hertz，1857～1894）于1887年发现的。他在研究电磁波发射与接收的实验中，利用一调谐电路中的火花间隙来产生电磁波，同时又应用另一类似的电路来检测电磁波。他无意中发现，当使发生火花的间隙产生的光与接收间隙隔绝时，则接收间隙必须缩短，才能使它发生火花！任何其他火花的光射到间隙的端点，也能促使间隙之间发生火花。赫兹进一步研究后，得出结论，这一现象中起作用的是光的紫外部分，当光射到间隙的负极时，作用最强，显然紫外光照射负电极更易于放电。他当时无法解释这些现象，只是如实地作了记录，在1887年发表的题为“论紫外光对放电现象的效应”一文中，首先描述了这些现象。 二、勒纳德——磁偏转法寻规律 赫兹的发现吸引了许多人去做这方面的研究工作。1889年，哈耳瓦克（W. Hallwack，1859～1922年）做了一系列实验，他用碳弧照射绝缘的锌板，锌板连接到验电器上。他发现：如果锌板原来带负电，经照射会迅速失去电荷；如果锌板原来带正电，经照射仍保持不变。在碳弧前面用一块玻璃隔开，现象消失，说明起作用的确实是紫外光，从锌板放出的肯定是负电荷。 俄国的斯托列托夫（1836～1896）对光电效应也进行了研究，并取得了重要成果。他发现：为了产生光电流，光必须被电极吸收；光电流的大小与入射光的强度成正比；光电流实际上是在照射开始时立即产生，无需时间上的积累。 在光电效应的研究过程中，做出重要贡献的是德国物理学家、赫兹的助手勒纳德（P. Lenard，1862～1947）。他早在1889年就开始做一些简单的光电效应实验。起先他设想光电效应是阴极射线引起的，但1894年他的实验证明这一想法不符合事实。1899年，J. J. 汤姆逊用磁偏切断电流的方法测定光电流的荷质比，肯定光电流与阴极射线都是同一类带电粒子组成，勒纳德随即于1900年也用磁偏转法测定光电流的荷质比得到同样的结果。其实验装置如图1所示，当入射光照到清洁的金属表面（阴极K），就有电子发射出来，若有些电子射到阳极A上，外电路上就有电流通过。阳极相对于阴极的电势可正可负，以使到达阳极的电子数增加或减少。 图2表示两种强度不同的入射光照射到阴极C上，测得的电流与电压的关系曲线。当阳极A电势高于阴极K时，电子被吸引到阳极上，当电压值U足够大时，C极上所有发射出的电子全部到达阳极，因而电流达到它的最大值。勒纳德观测到此最大的饱和电流与入射光强度成正比。他并且创造了一种实验方法，用加反向电压的方法来测电子的最大速度，从而得到反向电压（又称遏止电压）与入射光光强无关，即电子离开金属极板的最大速度与光强无关。从图2看出，不同光强的遏止电压均为（-U0），这结论与经典理论显然相矛盾。按经典理论，当光束强度增大时，作用在电子上的力也增大，因此光电子的动能也增大；而且按经典理沦，光是一种电磁波，它的能量是连续的，当照射光不太强时，只要有足够长的时间照射，电子也可以积累到逸出金属表面所必需消耗的能量，但实验事实却不然，要么电子不能发出金属表面，不管照射多久，要么一经照射，就立即有电子从金属表面逸出，根本不需要延迟时间（至多为10-9秒的数量级）。勒纳德因发现光电效应上述重要性因而获得1905年诺贝尔物理奖。 三、爱因斯坦——光子理论解难题 光电效应使经典电磁波理论陷入困境，给物理学的晴朗天空又增加了一朵乌云。这一事实激励着年青的爱因斯坦（A. Einstein，德，1879～1955），他苦苦地思索着。正在这个时候，理论物理学家普朗克（M. Planck，德，1858～1947）发表了能量子的假设，成功地解决了黑体辐射的问题，爱因斯坦对普朗克的能量子假设灌行了研究后，把量子论彻底贯彻到辐射和吸收过程中去，提出了崭新的光量子的假设，从而解决了光电效应问题，爱因斯坦认为，在光的传播所经过的空间里，光的能量并不是均匀分布的，而是由个数有限的、局限于空间各点的能量子所组成．按照这种新观点，光照射到金属板，就把它的全部能量传递给某一电子，每一份量子（即光子）的能量为hv，h是普朗克常数，v是光的频率。光源不同，光的频率不同，当光照射到金属板后，应该满足下列的能量守恒方程 ， 上式也称为光电方程。式中的hv即为光子的能量，W为每一个电子从金属表面逸出而必须克服的束缚能。为电子离开金属表面后的最大动能。从该方程可以看出，电子吸收了光子能量后，如果这一份能量hv大