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第十八节 光电效应的波动解释 一、光电效应 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电磁波的存在的实验中，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。 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n0。当照射光的频率n<n0时，不会逸出光电子；当入射光的频率n>n0时，不管光多么弱，都会立刻发射光电子，不存在时间滞后。 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。 二、光电效应的粒子解释 目前，人们认为光具有波粒二象性，在与物质相互作用时，会更明显地表露它的粒子（光子）特征。 人们还认为，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。爱因斯坦从普朗克解释黑体辐射时提出的辐射能量量子化的假设得到启示，意识到光电效应是光的粒子性的表现，于1905年春提出了光量子假说。他在论文中写道： “在我看来，如果假定光的能量不连续地分布于空间的话，那么，我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其它涉及光的发射与转换的现象的各种观测结果。根据这种假设，从一点发出的光线传播时，在不断扩大的空间范围内能量不是连续分布的，而是一个数目有限地局限于空间中的能量量子所组成，它们在运动中并不瓦解，并且只能整个地被吸收或发射。” 这样，在爱因斯坦的观念中，一束频率为n的光便是一束单个粒子能量为hn的光子流，在光与物质相互作用时，就是这些光子与物质微粒之间的事情了。 利用光子概念和能量守恒定律，对于外光电效应可以写出下列方程式， hn=1/2mv2+j 式中j为金属逸出功或功函数。这个方程被称为爱因斯坦方程。就是这方程，成功地解释了外光电效应的实验规律，使外光电效应的机理变得简单面清晰。 金属中的自由电子在金属内部可以自由游荡，但它们并不能随意地越过金属表面，因为表面附近的金属正离子要拽住它们，不让它们外逃，好似有一堵墙阻挡着。我们可以用能的“势阱”来表示金属表面对电子的这种约束作用。 金属中的电子如果不能从获得等于或大于j的能量，它就无法外逃。这也就是外光电效应存在的红限频率n0的原因。不同金属的逸出功不相同，红限频率也不相同。 光子是一个个小能量为hn的小能包，当它与电子碰撞并为电子所吸收时，电子获得光子的能量，一部分用于克服金属的束缚，也就是逸出功。余下的便成为外逸光电子的动能了。既然光子的能量是一份份的，电子吸收光子的能量也就是一份份的了。 三、光电效应的粒子解释的困难 爱因斯坦的光子假设和爱因斯坦方和方程成功地解释了外光电效应。几十年来，人们没有看到什么事情偏离爱因斯坦方程。但是，随着强度大、单色性好的激光器的问世，新的情况出现了。 1963年Ready等人用激光作光电发射实验时，发现了与爱因斯坦方程偏离的奇异光电发射。1968年Teich 和Wolga用GaAs激光器发射的hn=1.48eV的光子照射逸出功j=2.3eV的钠时，发现光电流与光强的平方成正比。按爱因斯坦方程，光子的频率处于钠的红限频率以下，不会有光电子发射，然而新现象却发生了，不但有光电子发射，而且光电流不是与光强成正比，而是与光强的平方成正比。于是，人们设想光子间进行了“合作”，两个光子同时被电子吸收得以跃过表面能垒，称为双光子光电发射。后来，进一步的实验表明，可以三个、多个、甚至40个光子同时被电子吸收而发射光电子，称为多光子光电发射。人们推断，n光子的光电发射过程的光电流似乎应与光强的n次方成正比。 因此，光电效应的粒子的解释有如下两个困难： 1、电子是如何吸收光子的能量的，它的物理过程是怎样的？光子的频率是如何转化成电子的速度？ 2、为什么某些激光不遵循爱因斯坦方程？为什么非激光光源不会产生多光子光电发射？ 四、光电效应的波动解释 其实，光电效应也可以用波动说来加以解释。 我们知道，原子是由原子核和绕核运转的电子组成。电子一方面在自转另一方面也在绕核公转，就会在周围空间产生一个大小和方向都在不断变化的电磁以太的涡旋。另一方面，我们周围的空间中本来就充满着由其它物质产生的各种频率和各种波形的电磁以太的涡旋。它们也具有一定的能量和温度（2.7K）。当这两种涡旋的频率和相位相等时，它们之间会产生共振而互相交换能量。电流子的能量损失以后，其带动的电磁以太的涡旋的振幅会越来越小。当振幅小于空间电磁以太涡旋的振幅，此时绕原子核运转的电子会自动地从空间电磁以太中吸取能量，直到它们的振幅相等为止。光、电磁波和热具有辐射的物理本质就是这种共振。因此，只要温度不是绝对0度，绕原子核运转的电子就永远不会落到原子核上。稳态原子电子轨道有许多个，每一个稳态原子电子轨道的频率是固定的，但轨道的高度有一个范围。电子的能量越大，轨道越高，线速度越快。当电子从电磁波中吸收了一定的能量，电子轨道也会提高到一定的程度以后，电子轨道会变得不稳定，此时，电子会加大频率而进入另一个稳定的电子轨道，这就是电子轨道的跃迁。显然，电子轨道在跃迁前必须吸收一定频率的电磁波的能量。反之亦然。电子轨道服从量子规则，其原因是电子以一定的频率绕原子核运转，可以把绕原子核运转的电子看成是一个振子，这个振子就是电子轨道具有量子的含义。 当物体温度和环境温度达到平衡时，电子和空间的电磁以太涡旋之间便没有能量的交换。因为光是振幅很大的交变电磁以太涡旋，当光照在金属上，金属分子中的电子运转的频率相位和光的频率相位一致时，电子就会因共振而不断得到空间电磁以太涡旋的能量而离核越来越远，直至逃离原子核，这就是“光电效应”。因此“光电效应”是可以用光的波动说来解释的。 尽管金属核外电子运转的频率是各式各样的，对于某种金属而言，核外电子运转的频率有一个最小值，只有光的频率等到于或大于这一频率，金属核外电子才能和光产生共振。这也就是外光电效应存在的红限频率n0的原因。 一般而言，金属最外层的核外电子容易逃逸。显然，核外电子从稳定状态到逃离原子核，脱离原子核的束缚，必然要获得能量才行。这一能量就是金属逸出功j了。 同时，逃离原子核的电子的频率越快，其转速也越快，其动能当然也越大，因此，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。所以，光电效应波动说同样可以使用方程： hn=1/2mv2+j 光电效应的波动说很容易解释粒子说的两个困难： 1、电子是如何吸收光的能量的，它的物理过程是怎样的？光子的频率是如何转化成电子的速度？ 答：电子的运动和光的运动发生共振，在共振过程中，光释放能量，电子吸收能量。光的频率是通过改变电子绕核的转速而改变电子的速度。 2、为什么某些激光不遵循爱因斯坦方程？为什么非激光光源不会产生多光子光电发射？ 答：因为波不仅具有频率，而且具有振幅。波的能量不但和频率有关，也和振幅有关。激光正是其振幅巨大的光，它能使原子中更深层的原本不能参与共振的电子共振起来。非激光光源因为能量太小，不能使原子中更深层的电子共振起来，所以不会产生所谓的多光子光电发射。 因此“光电效应”是可以用光的波动说来解释的。而且解释得更加深刻，更加直观和更加合理。同样地，黑体辐射等现象也可以用光的波动说来解释。因此，只要有光的波动说就可以了，并不需要光的粒子说。 ------------------------------------------------------- 《辩证唯物主义的最新武器》是一本什么样的书？它： 揭示对立统一规律和辩证法的物理实质；对牛顿力学本质原理的最新发现；对电磁现象本质原理的最新发现；对天体演化本质原理的最新发现；弥补牛顿力学的严重缺陷；彻底批判爱因斯坦相对论的唯心观点；有中国时空特色和力的大统一；彻底揭示时间和空间的本质；力、电、磁、光的大统一；地壳会消亡吗？天体如何演化？ 要看该书请点击：http://yebo.nease.net/000001.htm> |