光电效应：从发现到理论解释的物理学里程碑

光电效应：从发现到理论解释的物理学里程碑

光电效应是物理学中一个重要的现象，它描述了在光的照射下某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流的现象。这一发现不仅推动了量子理论的发展，还为现代科技提供了重要的应用基础。本文将详细介绍光电效应的定义、分类、历史发展及其在物理学中的重要性。

光电效应的定义与分类

光电效应是指在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。这一现象由赫兹于1887年发现，而正确的解释则由爱因斯坦提出。

光电效应可分为三类：光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应。其中，光电子发射发生在物体表面，称为外光电效应；后两种效应发生在物体内部，称为内光电效应。

按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成。当光子照射到对光灵敏的物质（如硒）上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加；如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。

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，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。

光电效应的历史发展

光电效应的研究历史可以追溯到19世纪。1839年，亚历山大·贝克勒尔在协助父亲研究电解池时，发现了光生伏特效应。1873年，威勒毕·史密斯在测试硒圆柱高电阻性质时，发现其具有光电导性。

1887年，德国物理学者海因里希·赫兹在实验中观察到光电效应。他在实验中发现，紫外线照射可以促进火花间隙产生火花。这一发现引起了物理学家们的极大兴趣，包括威廉·霍尔伐克士、奥古斯图·里吉、亚历山大·史托勒托夫等。他们进一步研究发现，清洁的锌金属表面在紫外线照射下会快速失去负电荷，而电中性的锌金属则会变为带有正电荷，电子会逃逸到金属周围的气体中。

约翰·艾斯特和汉斯·盖特尔发展出了第一个实用的光电真空管，用于量度辐照度。他们将各种金属依光电效应放电能力从大到小顺序排列：铷、钾、钠钾合金、钠、锂、镁、铊、锌。对于铜、铂、铅、铁、镉、碳、汞，普通光波造成的光电效应很小，无法测量到任何效应。上述金属排列顺序与亚历山德罗·伏打的电化学排列相同，越具正电性的金属给出的光电效应越大。

约瑟夫·汤姆孙于1897年通过观察克鲁克斯管里的阴极射线，发现阴极射线是由带负电荷的粒子组成，后来称为电子。1899年，他用紫外线照射锌金属，测得发射粒子的荷质比与先前测得的阴极射线粒子的数值大致符合，从而正确推断这两种粒子是同一种粒子，即电子。

参考资料

• [1] 什么是光电效应?新华网(引用日期 2022-01-20)
• [2] David Sang, Graham Jones, Gurinder Chadha and Richard WoodsideCambridge Internaitonal AS and A Level Physics CoursebookCambridgeCambridge University Press2014469
• [3] 邱沛篁,吴信训,向纯武等《新闻传播百科全书》四川人民出版社1998