偏振光的光电效应带给我们的启示 

 摘 要：光电效应实验是近代物理学最伟大的实验，1887年德国物理学家赫兹首先发现并记录了这一效应，之后赫兹的助手伦纳德对光电效应进行了深入地研究，他发现光电效应的一些实验结果与经典麦克斯韦电磁波理论所做的预测不符，这使得当时的物理学界疑惑不解。1900年德国科学家普朗克在研究黑体辐射时首次提出能量的量子化概念，但这一革命性的概念并不被当时的物理学界所接受，因为当时没有任何证据证明能量是量子化的，就是普朗克本人也并不肯定这一概念。1905年爱因斯坦将普朗克的量子概念引入到光电效应的解释中，成功地解释了光电效应，爱因斯坦也因此获得1921年诺贝尔物理学奖。尽管爱因斯坦的光量子理论证实了光的粒子性，但这一理论也没能否定光的波动性，光的干涉，衍射和偏振等光的波动性仍不能用光的粒子性来解释，在光量子的能量表达式E=hv中仍然可以发现波动的身影。1951年爱因斯坦在总结他一生的探索时曾说过“整整50年有意识的思考还没有使我更接近光量子是什么的答案”，那么光到底是粒子还是波，E=hv式中的v到底代表什么？但愿偏振光的光电效应将有助于揭开光的波粒二象性之谜。

 关键词：光量子 亚光量子 偏振光中图分类号：0431, 0436 

1．偏振光的光电效应实验 

本实验的目的是验证同一频率的偏振光和非偏振光的光子能量是否相等，从而发现光子的能量与频率之间的本质到底是怎样一个关系。根据能量守恒，光子的能量等于光电子的逸出功+光电子的最大初始动能，对给定的光电管，光电子的初始动能越大表明入射光的能量也越大，光电子初始动能的大小可以由反向截止电压求得。实验的具体细节将写在偏振光的光电效应实验报告中，这里就不做过多描述了。实验结果如表1所示：偏振光的能量要比非偏振光的能量小，我们不禁要问为什么同一频率的光子的能量会不同？难道E=hv中的v并不代表光的频率？          表一、

 2．光量子模型 

为了解释偏振光的光电效应，首先要建立新的光量子模型。假设光量子hυ是由一串数目有限的，局限于空间各点的，离散的亚光量子所组成，每个亚光量子有且只有一个光矢量，每个光矢量的幅度和方向在其传播方向的垂直平面内不随时间变化。在一个光量子中，光矢量的方向以其传播方向为轴随时间呈螺旋分布，如果迎着光的传播方向看，按时序到达的光矢量端点的轨迹以其传播方向为轴顺时针右旋或逆时针左旋。光矢量变化一周所需的时间为光量子的周期，其倒数为光量子的频率，光矢量相同的两个相邻亚光量子间的距离为光量子的波长，光量子的能量E等于所有亚光量子的能量和（见图1）。

3．光的偏振 

3.1自然光

把一个左旋光量子的波长等分4段，迎着光传播的方向看，在0到λ/4区段内的光矢量是分布在第I象限从0⁰→90⁰变化，在λ/4到λ/2区段内的光矢量是在第II象限从90⁰→180⁰变化，在λ/2到λ3/4区段内的光矢量是在第III象限从180⁰→270⁰变化，在λ3/4到λ区段内的光矢量是在第IV象限从270⁰→360⁰变化（见图2)。

3.2偏振光

调整偏振片的光轴使其与I,III象限的角平分线平行，这样光矢量的方向分布在I,III象限上的亚光量子全部通过偏振片,而分布在 II,IV象限上的亚光量子全部被偏振片吸收(见图3)。

 4．实验的解释 

建立了光量子模型和偏振光的概念后，偏振光的光电效应实验就可以解释为：当光量子经过偏振片后，光矢量方向位于对称象限上的亚光量子要么通过偏振片要么被偏振片所吸收，这样通过偏振片后的亚光量子的数量将减少一半，所以光量子的能量E减小了，反映在反向截止电压上就是电压变大了。 

5．光量子的能量E= tnvh 

设光量子发射所需的驰誉时间为t（秒），则光量子在空间的长度等于光速C乘以驰誉时间t 。设光量子的波长为λ，则光量子所含波数为光量子长度Ct除以光的波长λ。设一个波长内含有n个亚光量子，每个亚光量子的能量为h（焦耳），则光量子的总能量为：E = Ctnh/λ(焦耳) （1）

式中C/λ = v (1/秒)(2）

将（2）代入（1）得:

E = tnvh  (焦耳)（3）

（3）式中tnv为光量子内的亚光量子总数，式中时间t的量纲（秒）与频率v的量纲（1/秒）相抵消。如果驰誉时间t与一个波长内所含亚光量子数n的乘积等于1，则亚光量子总数tnv 在数值上等于v，在这个条件下，光量子的能量简化为： 

E = hv （焦耳）（4）

（4）式中的v代表的是亚光量子的总数，是没有量纲的，h的量纲为焦耳而不是焦耳秒。由此可以看：公式E=hv只不过是一般公式E=tnhv在tn=1情况下的特例。 

6．结束语 

参考文献 [1] 杨仲耆。大学物理学 振动，波动与光学。1981-11[2] F.W.SEARS.大学物理学第四册.1980-11