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光电效应

1887年赫兹在研究光波性质时发现，如果用紫外光照射电极，那么电极间的放电就变得容易“点着”了.演示这种这种现象时，将一个阴极置于真空管内，并用光照射它.这时就开始有电子从阴极飞出.这些电子向正电极(方向)运动，产生很微弱的电流.研究这些电流与入射光的颜色和强度间的关系是很有意思的.像图？所示的那样测量出电流和电压，就能够确定释放出的电子的数目和能量.根据麦克斯韦理论我们可以期望，光源的功率越大，释放出的电子所具有的能量也越大.但这却与实验观察到的完全不同.

总电流的大小表征着放出的电子数目的多少，它与入射光的强度有关.但对于阴极来说，单个电子的能量只与入射光的颜色(即它的频率)有关.即使是很很弱的光源，只要它的频率足够高，也能引起很大能量的电子的发射.另一方面，低频率的光，不论，不论光源的功率多大，无论如何也不能引起电子的发射.这样的结果是与麦克斯韦理论相矛盾的，因为根据麦克斯韦理论，光也好，电场矢量或者是振动的光波也好，都是依靠电场作用于的力而传递能量的.如果光源很弱，则分布于整个空间的电场矢量也很弱.对于这样弱的电场来说，要打出足够能量的电子将需要很长的时间.可是在实验中看到的事实是：不管紫光的强度如何，只要它以射到阴极上，立刻就发出光电子.

光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化.这类光致电变的现象被人们统称为光电效应.从微观看来，不管什么光电效应，归根结底，乃是光与电子相互作用带来的结果.二者相互作用，各自产生了相应的变化：对于光而言，它或被吸收，或改变频率和方向；对于电子而言，发生了能量和状态的变化，从束缚于局域的状态转变到比较自由的状态，从而致使物质电特性发生了变化.

1887年德国物理学家赫兹在证实麦克斯韦所预言的光波的存在的实验中，发现了一个奇妙的现象；当用紫外光照射他的装置时，电极之间发生电火花要容易一些.赫兹作了进一步研究，但没有坚持下去.一年后，霍耳瓦克斯证明，这是由于出现了带电粒子的缘故.后来，人们知道这种粒子就是电子，紫外线可以从金属中“照出”电子，可见光等也有这种本事.至今，人们把由于光照射固体而从表面逐出电子称为外光电效应，或光电发射效应，被光逐出的电子称为光电子.

B:光电效应实验图像

通过以上实验证明：光是一种粒子.

B:photoelectriceffectexperimentimage

外光电效应是把两个金属电极即阴极K和阳极A安装在抽成真空的玻璃泡中，在阳极和阴极之间加上直流电压并串联一个灵敏电流计G.当光不照射阴极K时，玻璃泡内阴极K和阳极A之间的空间无载流子，如果不顾及暗电流的话电阻为无穷大，没有电流流过G.当有光照射阴极K时，便有光电子从阴极飞出，在电压作用下，飞向阳极A，G中便有稳定的光电流流过.

1899——1902年赫兹的助手勒纳德利用各种频率和强度的光，对光电效应进行了系统的实验研究，发现了三条实验规律.1.当一定频率的光照射金属阴极K时，只要阴极与阳极之间有足够的加速电压，光电流正比于光强.2.每种金属各自存在一个足以发生外光电效应的最低频率；当光的频率大于这个频率时，不管光多么弱，都会立刻发射光电子，不存在时间滞后.当光的频率小于这个频率时，不会逸出光电子；3.光电子从金属表面刚逸出时的最大初动能1/2mv²与光的频率有线性关系，与入射光的强度无关.

光电效应三条实验规律，除了第一条能利用波动说解释以外，其它两条实验规律与光的波动学说发生了剧烈冲突.

理论天体物理学的第一个成熟的方面——恒星大气理论，就是在量子理论和辐射理论的基础上建立起来的.爱因斯坦关于光的新理论，究竟超过他同时代自然科学家的思想境界有多远，这从１９１３年柏林第一流的物理学家们的评论中可以一目了然.当爱因斯坦被任命为柏林科学院院士时，他们在赞扬了他在科学上的多方面成就后，要大家特别重视他的光量子假说：“他在探索过程中，往往会超出预想目标，比如在光量子假说方面就是这样，因而对他作出评价不会太困难；在精密自然科学中，一次冒险也不作，便不会有真正的创新.”

虽然爱因斯坦对光电效应的解释是对Planck量子概念的极大支持，但是Planck不同意爱因斯坦的光子假设，这一点流露在Planck推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士的推荐信中.“总而言之，我们可以说，在近代物理学结出硕果的那些重大问题中，很难找到一个问题是爱因斯坦没有做过重要贡献的，在他的各种推测中，他有时可能也曾经没有射中标的，例如，他的光量子假设就是如此，但是这确实并不能成为过分责怪他的理由，因为即使在最精密的科学中，也不可能不偶尔冒点风险去引进一个基本上全新的概念”.