请应用爱因斯坦光量子理论解释光电效应实验现象
光电效应实验中人们发现了几个实验现象：只有频率超过某一极限频率的光照射才有电子从金属表面逸出，从光照到电子逸出所需时间极短。 爱因斯坦提出的光子说认为光子的能量是一份一份的，每一份能量值为E=hv光照射金属表面，一个电子吸收一个光子的能量，若光子的能量足够大，电子就将从金属表面逸出，因为吸收光子能量不需要积累的时间，所以吸收能量和从金属表面逸出的时间极短。 扩展资料 实验验证 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，一套产生振荡，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（Wilhelm Hallwachs）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。根据动能定理：qU=mv^2/2，可计算出发射出电子的能量。可得出：hf=(1/2)mv^2+I+W 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。有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。 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。 爱因斯坦用光量子理论对光电效应提出理论解释后，最初科学界的反应是冷淡的，甚至相信量子概念的一些物理学家也不接受光量子假说。尽管理论与已有的实验事实并不矛盾，但当时还没有充分的实验来支持爱因斯坦光电效应方程给出的定量关系。直到1916年，光电效应的定量实验研究才由美国物理学家密立根完成。 密立根对光电效应进行了长期的研究，经过十年之久的试验、改进和学习，有效地排除了表面接触电位差等因素的影响，获得了比较好的单色光。他的实验非常出色，于1914年第一次用实验验证了爱因斯坦方程是精确成立的，并首次对普朗克常数h作了直接的光电测量，精确度大约是0.5%(在实验误差范围内)。 1916年密立根发表了他的精确实验结果，他用6种不同频率的单色光测量反向电压的截止值与频率关系曲线关系，这是一条很好的直线，从直线的斜率可以求出的普朗克常数。结果与普朗克1900年从黑体辐射得到的数值符合得很好。
赫兹的意外发现，爱因斯坦的惊艳解释——细说光电效应
量子力学从诞生至今也不过区区一百多年，但是却像一头洪荒猛兽，一举打破了整个经典物理的认知，成为人类 历史 上最伟大的物理理论，人类的科学也因量子力学的发展大幅度进步。 如果我们回顾 历史 ，量子力学这个幽灵正是从光电效应现象被发现而随之被释放出来的，可以说光电效应的发现一脚踹开了量子力学的大门，而之后爱因斯坦利用量子论对光电效应进行了成功解释，则打开了人们对于量子论的崭新认识，光电效应的发现到被解释，也体现着量子论的发展，并对量子论的发展意义重大。 通俗来讲，光电效应是指光束照在金属表面时，会使其发射出电子。 这个现象非常奇特，本来电子被金属表面的原子束缚的老老实实，奇怪的是，一旦被一定光线照射时，这些电子就开始不安分起来，想要脱离原子的束缚，四处逃窜。由于这种现象的主角是光与电子这“两位大佬”，因此大家就把它称之为光电效应。 更有趣的是，这个光电效应还比较顽皮，它并不是说只要有光照射在金属表面上，就一定能够打出电子来，要想实现它，还要对照射光提要求。 人们发现，对于同条件下的同种金属，光能不能从金属表面打出电子来，取决于光的频率（可见光中，从紫到蓝到绿到黄到红，频率逐渐降低，紫光频率最高，红光频率最低）。更神奇的是， 频率较高的光能够打出能量较高的电子来，但是频率较低的光则完全打不出电子来。 于是有人想，那如果用很强的低频率光（红）去打，或者用很弱的高频率光（紫）去打呢？ 结果发现电子这位爷只认频率不认强度。 哪怕是再强的低频率光也打不出半个电子来，再弱的高频率光也能打出电子来，不过在高频率光的情况下，改变光的强度可以改变打出电子的数量。 小结:当一定光照射在金属表面，金属表面能够发射电子，此即光电效应。光是否能够在同种金属表面打出电子来，取决于光的频率而非强度。 海因里希-赫兹是德国的一名天才物理学家，他的老师是大名鼎鼎的基尔霍夫和亥姆霍兹。赫兹对于电磁学领域贡献极大，因此频率的单位赫兹（hz）就是以他的名字命名的。赫兹与光电效应的意外相遇，着得从麦克斯韦方程组与电磁波说起。 伟大的麦克斯韦在19世纪将电场高斯定律、磁场高斯定律，法拉第电磁感应定律，麦克斯韦-安培定律（全电流定律）四个方程总结成麦克斯韦在组，阐述了变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，并且从理论上预言了电磁波的存在，前无古人般的将电与磁统一起来。 然而，麦克斯韦只是从理论上完美的证明了电磁波的存在，并没有真的证实电磁波存在。 接下来就轮到本文的主角之一赫兹先生登场了。证实电磁波的存在并不是别人，正是赫兹。 赫兹在他的实验室证实了电磁波的存在，为电磁学大厦完成了封顶，但是正是在证明电磁波存在的实验当中，赫兹一不小心打开了量子力学的大门，发现了光电效应的存在。 在赫兹证明电磁波存在的实验当中，赫兹发现当有光照在金属接收器上时，电火花出现的容易一些，这个现象则是最初版本的光电效应。 不过这个现象并没有引起赫兹足够的重视，他在论文里有提到，但是他并没有去仔细研究。 非常不幸，赫兹也没有足够的机会对其进行研究。天妒英才，赫兹年仅36岁时便去世了。 而赫兹并不知道，他这个发现，实际上踹开了量子力学的大门。人们时常畅想，如果上天能让赫兹活得更久一点，说不定量子力学的发展进程能够提前一些。 谈及爱因斯坦，人们听的最多的可能是狭义相对论与广义相对论，但是对于光电效应的解释其实也是爱因斯坦的经典之作，更是让爱因斯坦因此获得了诺贝尔物理学奖。 前面提到过，在光电效应中，电子这位大爷只认光的频率，不认光的强度。 在当时的认知中，光是一种波，波的强度即代表了能量。按理说，由于电子是被原子束缚在轨道上，强度越高，能量越高，就应该越容易将电子打出来。 但是实际上如果光的频率低，哪怕再强的强度，也无法打出电子来，也就说，光的频率决定了能否打出电子来，而光的强度决定的是打出电子的数目。 这让当时的科学家们非常困扰，百思不得其解，直到天才爱因斯坦横空出世。 爱因斯坦解决这个问题的思路与其他人有些不一样，他借用了普朗克先生的量子假说（普朗克假设，黑体在吸收或者发射能量的时候，并非连续的，而是分成一份一份的能量，这一份能量的大小等于普朗克常数乘以频率，并将这一份能量称之为量子）。 光电效应，频率越高，越容易打出电子；单个量子的能量等于普朗克常数h乘以频率v，频率越高，单个量子能量越高。 电光火石之间，爱因斯坦忽然看见了什么。 提高频率，单个量子能量越高。那么，如果光不是连续分布的，而是一种量子呢？ 一切问题刹那间迎刃而解 ，提高频率，单个光量子能量越高，就越容易打出电子，单个光量子的能量大于金属原子对电子的束缚能，就能够打出电子。 这正好解释了为什么频率决定了能否打出电子。而提高光的强度，则对应着提高光量子的数量，光量子越多，打出来的电子越多，强度决定了打出电子的数量。好了，先生们，现在光电效应被完美解释。 而后爱因斯坦根据这个思路写出一个方程， 等号左边是被打出来的电子具有的动能，等号右边是单个光量子的能量减去打出电子所需要的最小能量。 我们需要注意到，虽然爱因斯坦成功解释了光电效应，但是这有一个前提，这个前提是：普朗克的量子假说。 爱因斯坦在这里对于 光进行了量子化处理，认为光是一种光量子。 在当时，光被认为是波，波是连续的，而量子是一份一份的，不连续的。 爱因斯坦此举无疑是挑战原有的经典物理体系，是天才的想法，更是看起来离经叛道的想法。 其实在普朗克提出量子假说后，普朗克本人都不太相信，量子到底是个什么东西，到底存在吗，普朗克本人不确定。而爱因斯坦运用量子论解释了光电效应，这是开创性的工作。 毫无疑问，爱因斯坦使用量子论观点，成功解释了光电效应，这无疑是对量子力学正确性的一种巨大肯定。 量子论对于光电效应的成功解释为量子力学的发展注入了强大的力量，更是对量子论的进一步发展，是量子论建立过程中的里程碑事件。 这让人们正式把量子论拿到台面上来疯狂讨论，在此之后，量子论进入了一个高速发展的时期，薛定谔，德布罗意，海森堡，波恩们你方唱罢我方登场，开启了量子力学黄金时代。 参考文献： 【1】曹天元. 上帝掷骰子吗：量子物理史话[M].2006. 【2】Feynman. The Feynman Lectures on Physics[M].2000. 【3】周世勋. 量子力学教程第二版[M].2008. 【4】曾谨言. 量子力学[M].1990.