千米小说网

第7章光电效应理论（第2页）

他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，Ek=hf-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而Ek呢就是电子自由后具有的势能。

3实验研究

1887年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应。赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振**，发出电磁波；另一套作为接收器。

他意外发现，如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生。

赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。

1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（WilhelmHallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。

1899年，J?J?汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。

这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外光）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。

1899—1902年，勒纳德（P?Lenard，1862—1947）对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”。

为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加一可调节反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。

他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，对反向电压的截止值进行了研究，并总结出了光电效应的一些实验规律。

深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾，但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。

勒纳德在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照射到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，电子就以其自身的速度从原子内部逸出。

勒纳德认为，原子里电子的振动频率是特特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。勒纳德的假说在当时很有影响，被一些物理学家接受。

但是，不久，勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。当时，还有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。

通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律：

（1）、每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无光电子逸出。

（2）、光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。

（3）、光电效应的瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）。

（4）、入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。

4与经理理论的矛盾

在光电效应中，要释放光电子显然需要有足够的能量。根据经典电磁理论，光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与电磁波的频率无关。

而实验规律中的第一、第二两点显然用经典理论无法解释。第三条也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子。

光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关，光是电磁波，但是光是高频震**的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。

所有这些实际上已经曝露出了经典理论的缺陷，要想解释光电效应必须突破经典理论。

5光电效应的分类

光电效应分为：外光电效应和内光电效应。

内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。

外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。

（1）外光电效应

在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。

外光电效应的一些实验规律

a．仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率叫做极限频率（或叫做截止频率），相应的波长λ0叫做极限波长。不同物质的极限频率和相应的极限波长λ0是不同的。

b．光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。

c．阴极（发射光电子的金属材料）发射的光电子束和照射发光强度成正比。

d．从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过10的-9次方秒；停止用光照射，光电流也就立即停止。这表明，光电效应是瞬时的。

e．爱因斯坦方程：hυ=（12）mv^2+I+W

式中（12）mv^2是脱出物体的光电子的初动能。金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为hυ=（12）mv^2+W假如hυ