科学火炬众接力 三十年探索不寻常
——光电效应的发现历程
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，利用一个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（本文图1、图2、图3、图4省略）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K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，K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人射光强度成正比。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）与人射光光强无关，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），该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；而且按经典理论，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，要么电子不能逸出金属表面，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的上述重要性，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人困境，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进行了研究后，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hν。h是普朗克常数，ν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
hν=W＋1/2mv2，
上式也称为光电方程。式中的hν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。1/2mv2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hν大于束缚能W，则可以从金属表面逸出；反之，则无法从金属表面逸出。因为一个电子同时吸收两个以上的光子的几率极小，所以不能期望它在时间上的积累，获得为了逃逸金属表面所必不可少的能量。对于某种金属材料，存在一个阈值频率，小于阈值频率的光照射，就不能使金属板放出电子来；当光的频率高于此阈值时，电子就能从吸收的光子中得到足够的能量而逃逸出金属表面，这样电子逸出后的最大动能显然与光照频率有关。爱因斯坦也因发现光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理奖。
四、 密立根——精确实验作判决
爱因斯坦的光量子假设和光电方程完全能够解释光电效应中的各种现象，但并没有立即得到人们的承认，它受到的怀疑超过了同年（1905年）他提出的狭义相对论。甚至连相信量子概念的一些著名物理学家，包括普朗克本人也持反对态度。这一方面是由于经典电磁理论的传统观念，深深地束缚了人们的思想；另一方面也是由于这个假设并未得到全面验证。所以从1907年起就不断有科学家从事这方面的研究工作，其中主要困难是接触电位差的存在和金属表面氧化物的影响。例如 1907拉登堡（E．Ladenber）用六种不同频率的紫外光照射金属表面，测出最大发射能量（以遏止电压U0表示），得到的经验公式却是
λ＝常量，
而不是爱因斯坦的光电方程所表示的线性关系，即
1/2mv2＝eU0＝hν－W，
其他科学家的工作实验结果与理论预期相差也很大。
直到1916年，密立根（R．A．Millikan，美，1868一1953）的精确实验才完全证实了爱因斯坦的光电方程。这是密立根花了十年的时间，研究接触电位差，消除了各种误差来源，改进真空装置以去掉氧化膜才实现的。特别是除去表面氧化层的问题，这在技术上特别困难，但密立根不愧是非常出色的实验物理学家，他巧妙地设计了一种试验管，终于解决了金属氧化问题。其原理图如图3所示，玻璃管抽成高度真空，同时把碱金属样品做成小圆柱状，固定在一小轮子W上，利用管外的一块电磁铁（图中未画出）可使小轮旋转，样品对准入射光窗口O，用电磁铁控制一把小刀K薄薄地切削圆柱样品，将金属表面极薄的一层氧化层刮掉，密立根称这一技术为“真空机械切削”，金属发射的光电子进人金属丝圆筒中，后者再与一灵敏电流计相连。对于各种频率的人射光来说，为了阻止光电子的发射，金属圆柱样品表面的电势都高于金属丝网圆筒。
为了使铜电极S和B有相同的接触电位，对它们进行十分细心的加工。如果在电极S与金属圆柱体之间由某种原因引起电位差的话，则改变它们之间的距离（借助于铜电极S上的活栓），使与它们相连的静电计中将产生电流。这样，如果外加一个电位，其值恰好使电荷没有任何运动，那么这个外加电位正好补偿了接触电位。
实验的目的是以最大可能的精确度来检验直线的斜率，此斜率表示人射光频率和最大电位差的关系．密立根得到的金属钠的光电子最大能量（依据遏止电势差测量的）与人射光频率的关系，如图4所示．可见其线性关系极好，曲线的斜率可由
U＝（h/e）ν一（h/e）ν0。
求得，即斜率为h/e。密立根按图上求得的斜率值，并应用他以前油滴实验测得的电子电量e值，就可以算出普朗克常数 h，h＝6．56 × 10－27尔格·秒．这与普朗克按绝对黑体辐射定律中的常数计算值完全一致。用其他许多能发生光电效应的材料表面所做的实验，均在实验误差范围内，得到同样的结果。
非常有趣的是密立根的精确的实验验证了爱因斯坦光电方程的正确性，却是完全与他预料的相反，密立根一直对爱因斯坦的光电子假设持保留态度。他说：“经过十年之久的试验、变换和学习，有时甚至还要出差错，在这之后，我把一切努力从一开始就针对光量子发射能量的精密测量，测量它随温度、波长、材料（接触电势差）改变的函数的关系．与我自己的预料相反，这项工作终于在1914年成了爱因斯坦方程式在很小实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测普朗克常量h，所得精度大约为0．5%，这是当时所能得到的最佳值”。
密立根在事实面前服从真理，反过来宣布爱因斯坦的光电方程完全得到证实，这是很值得后人学习的。由于他对光电效应及测量基元电荷的出色研究，因而获得了1923年诺贝尔物理学奖。
参考文献
赵凯华等．光学．北京：北京大学出版社，1984．
北京物理学会．物理学史专题讲座汇编．1983．
〔美」G·L·特里格著，尚惠春等译．现代物理学中关键性实验．北京：科学出版社，1983．
本文发表于《中学物理教学参考》2000年第12期P57-59
