光电效应的研究历史 光电效应的研究历史

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光电效应最早是由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年发现的，它在发展量子理论和提出波粒二象性的思想中起到了基础性的作用。

菲利普·莱纳德通过实验发现了光电效应的重要规律。

阿尔伯特·爱因斯坦提出了正确的理论机制。

1839年，年仅19岁的亚历山大·贝克雷尔(Alexander Bekkerel)在帮助父亲研究向电解池照射光波的效果时发现了光伏效应。

虽然这不是光学效应，但它在揭示物质的电学性质与光波之间的密切关系方面起着重要作用。

威洛比·史密斯在1873年完成了一项与水下电缆有关的任务。在测试硒圆柱体的高阻性能时，发现它具有光电导性，即在硒圆柱体上照射光束会促使其电导增加。

海因里希·赫兹

1887年，德国物理学家海因里希·赫兹(heinrich hertz)进行了观察光电效应和电磁波发射与接收的实验。

赫兹的发射器里有一个火花隙，可以通过制造火花来产生和发射电磁波。

接收器中有一个线圈和一个火花隙。每当线圈检测到电磁波时，火花隙中就会出现火花。

因为火花不是很亮，为了更容易观察到火花，他把整个接收器放在一个不透明的盒子里。

他注意到最大火花长度因此减少了。

为了弄清原因，他把盒子一部分一部分拆下来，发现接收器火花和发射器火花之间的不透明板造成了这种屏蔽现象。

如果用玻璃分离，也会造成这种屏蔽现象，但应时不会。

他用应时棱镜按波长分解光波，仔细分析每种波长光波的屏蔽行为后，发现紫外线引起光电效应。

赫兹在《物理年鉴》上发表了这些实验结果，但他并没有对这种效应做进一步的研究。

入射到火花隙上的紫外线可以帮助产生火花，这立刻引起了物理学家的好奇心，包括威廉·霍瓦斯、奥古斯图·里格斯、亚历山大·斯托雷托夫等。

他们对光波对带电物体的影响，特别是紫外线，进行了一系列的研究。

这些研究和调查已经证实，如果刚清洗过的锌金属表面带负电，无论带多少，在紫外线照射下都会很快失去这种负电荷；电中性的锌金属如果受到紫外线照射，会迅速带正电，而电子则会逃逸到金属周围的气体中。如果强风吹在金属上，带正电荷的金属数量会大大增加。

约翰·埃斯特(John Esther)和汉斯·盖特尔(Hans Geitel)首先研制出第一个实用的光电真空管，可用于测量辐照度。

埃丝特和盖特尔用它研究了光波照射对带电物体的影响，取得了很大的成就。

他们按照光电效应的放电容量降序排列各种金属:铷、钾、钠钾合金、钠、锂、镁、铊、锌。

对于铜、铂、铅、铁、镉、碳、汞，普通光波产生的光电效应很小，无法测量任何影响。

上述金属的排列顺序与亚历山德罗伏打的电化学排列相同，带正电荷的金属越多，光电效应越大。

汤木孙测量粒子荷质比的光电效应实验装置。

当时研究赫兹效应的各种实验都伴随着光电疲劳，使得研究更加复杂。

光电疲劳是指从干净的金属表面观察到的光电效应逐渐下降的现象。

根据Holvax的研究结果，臭氧在这一现象中起着重要作用。

但其他因素，如氧化、湿度、抛光方式等，都是必须考虑的。

从1888年到1891年，斯托雷托夫完成了许多光电效应的实验和分析。

他设计了一个实验装置，特别适合光电效应的定量分析。

利用这个实验装置，他发现了辐照度与感应光电流的正比关系。

此外，Stoletov和Rigi还研究了光电流与气压的关系。他们发现气压越低，光电流越大，直到气压达到最佳；低于这个最佳压力，压力越低，光电流越小。

1897年4月30日，约瑟夫·唐穆孙在英国皇家学会发表演讲，他说，通过观察克鲁克斯管中阴极射线引起的荧光辐照度，他发现阴极射线在空气体中的透射能力远远优于一般原子大小的粒子。

因此，他主张阴极射线是由带负电的粒子组成的，这些粒子后来被称为电子。

此后不久，他通过观察电场和磁场作用下阴极射线的偏转来测量阴极射线粒子的荷质比。

1899年，他用紫外线照射金属锌，测得发射粒子的荷质比为7.3×10emu/g，与之前实验测得的阴极射线粒子值7.8 × 10 emu/g大致一致。

因此，他正确地断定这两种粒子是同一种粒子，即电子。

他还测量了这个粒子携带的负电荷。

从这两个数据中，他成功计算出了电子的质量:大约是氢离子质量的千分之一。

电子是当时已知的最小粒子。

匈牙利物理学家菲利普·莱纳德

1900年，菲利普·莱纳德发现紫外线可以导致气体电离。

由于这种效应广泛存在于几厘米宽区域的空气体中，产生许多大的正离子和小的负离子，这种现象自然被解释为气体中的固体粒子或液体粒子发生的光电效应，唐木孙对此进行了解释。

1902年，伦纳德公布了几项关于光电效应的重要实验结果。

首先，通过改变紫外光源和阴极之间的距离，他发现阴极发射的光电子数量与单位时间内的入射辐照度成正比。

其次，使用不同的材料作为阴极材料表明，每种材料发射的光电子都有其特定的最大动能。换句话说，光电子的最大动能与光波的光谱组成有关。

再次，通过调整阴极和阳极的电压差，他观察到光电子的最大动能与截止电压成正比，与辐照度无关。

由于光电子的最大速度与辐照度无关，伦纳德认为光波并没有给这些电子任何能量，它们已经拥有了，光波作为触发器，一触触发器就选择并释放束缚在原子中的电子，这就是伦纳德著名的“触发器假说”。

当时学术界广泛接受触发假说作为光电效应的机制。

然而，这一假设遇到了一些严重的问题。例如，如果电子在原子中逃逸束缚和发射后已经有动能，加热阴极应该会给出更多的动能，但物理学家在实验中并没有测出任何不同的结果。

1905年，爱因斯坦发表了6篇划时代的论文。

1905年，爱因斯坦发表了一篇论文《光的产生和转化的初步看法》，对光电效应给出了另一种解释。

他将光束描述为一组离散的量子，现在称为光子，而不是连续的波动。

爱因斯坦对普朗克此前在黑体辐射研究中发现的普朗克关系给出了另一种解释:频率为的光子所拥有的能量为；其中因子是普朗克常数。

爱因斯坦认为组成光束的每个量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。

如果光子的频率大于某个极限频率，光子就有足够的能量使一个电子逃逸，引起光电效应。

爱因斯坦的论述解释了为什么光电子的能量只与频率有关，而与辐照度无关。

虽然光束的辐照度很弱，但只要频率足够高，就会产生一些高能光子，促使束缚电子逃逸。

虽然光束的辐照度很强，但如果频率低于极限频率，就不能给出高能光子来促使束缚电子逃逸。

爱因斯坦的论述富有想象力和说服力，但遭到学术界的强烈抵制。这是因为它与詹姆斯.麦克斯韦提出并经严格的理论测试和精确的实验证明的光的波动理论相矛盾。它不能解释光波的折射和相干性，更一般地说，它与物理系统的能量“无限可分性假说”相矛盾。

即使在爱因斯坦的光电效应方程被实验证明是正确的之后，强电阻还是持续了很多年。

爱因斯坦的发现打开了量子物理学的大门。爱因斯坦因其在理论物理方面的成就，尤其是光电效应定律的发现，获得了1921年诺贝尔物理学奖。

图为密立根光电效应实验得到的最大能量与频率的关系。

纵轴是能阻止最大能量光电子到达阳极的截止电压，P是功函数，PD是电势差。这一理论在1969年得到了证明。