光电效应实验 -普朗克常量的测量 刘金环
光电效应实验 ---普朗克常量的测量 刘金环
前言 人类对光的本性的认识，到麦克斯韦提出 光是一种电磁波，光的波动说似乎已完美 无缺了。然而，就是在证实电磁波存在的 过程中，人们发现了光具有粒子性的重大 事实，这就是光电效应现象。光电效应在 量子理论的发展中有着特殊的意义
前言 ◼ 人类对光的本性的认识，到麦克斯韦提出 光是一种电磁波，光的波动说似乎已完美 无缺了。然而，就是在证实电磁波存在的 过程中，人们发现了光具有粒子性的重大 事实，这就是光电效应现象。光电效应在 量子理论的发展中有着特殊的意义
光电效应最先由赫兹发现：他的学生勒纳 德对光电效应的研究卓有成效并获1905年 诺贝尔物理学奖；爱因斯坦提出光子论从 理论上成功解决了光电效应面临的难题并 因此获1921年诺贝尔物理学奖；美国物理 学家密立根通过精确实验证实了爱因斯坦 的理论，并获1923年诺贝尔物理学奖
◼ 光电效应最先由赫兹发现；他的学生勒纳 德对光电效应的研究卓有成效并获1905年 诺贝尔物理学奖；爱因斯坦提出光子论从 理论上成功解决了光电效应面临的难题并 因此获1921年诺贝尔物理学奖；美国物理 学家密立根通过精确实验证实了爱因斯坦 的理论，并获1923年诺贝尔物理学奖
1.赫兹意外发现光电效应 发射 接收 1885年，赫兹用如图1所示的 装置来证实电磁波的存在。 ■电磁波发生器是在两根铜棒上各焊接一个磨光的黄铜球，另 一端各连接一块正方形锌板，它们共轴放置，两球间留有一 空隙，它们相当于一个电容器，与感应圈连接，构成了LC电 路。感应圈使两黄铜球聚集大量电荷，从而在空隙间产生电 火花，形成高频振荡电流，辐射高频电磁波。与这个回路相 距一定距离有电磁波接收器，是用一根粗铜导线弯成一开口 的圆环，开口端各焊一黄铜球，之间有可作微调的空隙，这 个接收器实际上也是一个LC电路。调节间隙改变接收电路的 固有频率可与发射过来的电磁波产生共振，从而在接收器的 空隙间观察到电火花
1.赫兹意外发现光电效应 ◼ 1885年，赫兹用如图1所示的 装置来证实电磁波的存在。 ◼电磁波发生器是在两根铜棒上各焊接一个磨光的黄铜球，另 一端各连接一块正方形锌板，它们共轴放置，两球间留有一 空隙，它们相当于一个电容器，与感应圈连接，构成了LC电 路。感应圈使两黄铜球聚集大量电荷，从而在空隙间产生电 火花，形成高频振荡电流，辐射高频电磁波。与这个回路相 距一定距离有电磁波接收器，是用一根粗铜导线弯成一开口 的圆环，开口端各焊一黄铜球，之间有可作微调的空隙，这 个接收器实际上也是一个LC电路。调节间隙改变接收电路的 固有频率可与发射过来的电磁波产生共振，从而在接收器的 空隙间观察到电火花
利用电火花实验装置，赫兹测量了电磁波速， 进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、 干涉、偏振等各种波现象的实验。 ■ 大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理 论，同时意外地发现了表明光具有粒子性的一 个重要现象：当发射器间隙的火光被阻隔时 原来接收间隙的火花变暗，而用其他任何火花 的光照射到接收器铜球，也能促使间隙发生电 火花
◼ 利用电火花实验装置，赫兹测量了电磁波速、 进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、 干涉、偏振等各种波现象的实验。 ◼ 大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理 论，同时意外地发现了表明光具有粒子性的一 个重要现象：当发射器间隙的火光被阻隔时， 原来接收间隙的火花变暗，而用其他任何火花 的光照射到接收器铜球，也能促使间隙发生电 火花
进一步研究发现这一现象中直接起作用的是 火光中的紫外线，当火花的光照到间隙的负 极时，作用最强，这种情况下接收器间隙发 生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜 球上飞出电子到另一极铜球所形成，赫兹称 之为“紫外光对放电现象的效应”，也就是 光电效应
◼ 进一步研究发现这一现象中直接起作用的是 火光中的紫外线，当火花的光照到间隙的负 极时，作用最强，这种情况下接收器间隙发 生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜 球上飞出电子到另一极铜球所形成，赫兹称 之为“紫外光对放电现象的效应”，也就是 光电效应
2、勒纳德研究光电效应现象的规律 赫兹的发现吸引了许多人去深入研究光电效应成 因与规律，其中德国物理学家、赫兹的助手勒纳 德的研究卓有成效。 勒纳德研究光电效应规律的实验装置如图所示。 当入射光照射到光洁的金属阴极K表面，就有光 电子发射出来，若有光电子到达阳极A,电路中 就有电流，所以可通过电流计了解用各种光照射 阴极K以及对两极加不同电压时的光电流，从中 摸索规律
2、勒纳德研究光电效应现象的规律 ◼ 赫兹的发现吸引了许多人去深入研究光电效应成 因与规律，其中德国物理学家、赫兹的助手勒纳 德的研究卓有成效。 ◼ 勒纳德研究光电效应规律的实验装置如图所示。 当入射光照射到光洁的金属阴极K表面，就有光 电子发射出来，若有光电子到达阳极A，电路中 就有电流，所以可通过电流计了解用各种光照射 阴极K以及对两极加不同电压时的光电流，从中 摸索规律
光电效应现象的实验规视律： 1.对各种金属都存在着极限频率和极限波长 低于极限频率的任何入射光强度再大、照射时 间再长都不会发生光电效应。 2.光电子的最大初动能与入射光的强度无关 只随入射光频率的增大而增大。 3.只要入射光频率高于金属的极限频率 , 照到 金属表面时光电子的发射几乎是瞬时的，不超 过1095。 4.发生光电效应时，光电流的强度与入射光的 强度成正比
光电效应现象的实验规律： ◼ 1．对各种金属都存在着极限频率和极限波长， 低于极限频率的任何入射光强度再大、照射时 间再长都不会发生光电效应。 ◼ 2．光电子的最大初动能与入射光的强度无关， 只随入射光频率的增大而增大。 ◼ 3．只要入射光频率高于金属的极限频率，照到 金属表面时光电子的发射几乎是瞬时的，不超 过10-9s。 ◼ 4．发生光电效应时，光电流的强度与入射光的 强度成正比
3、爱因斯坦提出光子论圆满解释光电效应 1905年，爱因斯坦用突破性的量子化思想对光电 效应做出了现在为科学界普遍接受的解释。 在空间传播的光（的能量）不是连续的，而是一 份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子， 一份光子的能量E=hv。 在上个世纪初，科学家们对量子化的物理还极不 适应，爱因斯坦的独创性、物理洞察力和对简洁 解释的追求使他在忙碌的1905年发表了相对论， 成功解释了光电效应，建树起近代物理学研究的 两座丰碑
3、爱因斯坦提出光子论圆满解释光电效应 ◼ 1905年，爱因斯坦用突破性的量子化思想对光电 效应做出了现在为科学界普遍接受的解释。 ◼ 在空间传播的光（的能量）不是连续的，而是一 份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子， 一份光子的能量 E＝hv。 ◼ 在上个世纪初，科学家们对量子化的物理还极不 适应，爱因斯坦的独创性、物理洞察力和对简洁 解释的追求使他在忙碌的1905年发表了相对论， 成功解释了光电效应，建树起近代物理学研究的 两座丰碑
4 密立根精确实验证实光电效应方程 爱因斯坦的光子假设与光电方程，要为人们认同还 没有理论基础-一当时对这一假说的怀疑超过了狭 义相对论，甚至包括普朗克本人也持反对态度。许 多物理学家都想方设法用实验测量普朗克恒量h, 以求验证光电效应方程。 一直对光子假设持有保留态度的美国物理学家密立 根，设计了高精确度的实验装置，经过十年的试验 不断解决一些技术难点，终子验证了光电方程的直 线性，并测出普朗克恒量h三6.56×1034JS。在事 实面前，密立根服从真理，宣布爱因斯坦光子假说 得到证实
4、密立根精确实验证实光电效应方程 ◼ 爱因斯坦的光子假设与光电方程，要为人们认同还 没有理论基础──当时对这一假说的怀疑超过了狭 义相对论，甚至包括普朗克本人也持反对态度。许 多物理学家都想方设法用实验测量普朗克恒量h， 以求验证光电效应方程。 ◼ 一直对光子假设持有保留态度的美国物理学家密立 根，设计了高精确度的实验装置，经过十年的试验， 不断解决一些技术难点，终于验证了光电方程的直 线性，并测出普朗克恒量h＝6.56×10-34J·S。在事 实面前，密立根服从真理，宣布爱因斯坦光子假说 得到证实
