光電效應的發(fā)現過程。光電效應在量子理論發(fā)展史上具有特殊意義。其研究經歷了一個曲折的過程。 1.赫茲紫外線照射顯示異常。所謂光電效應,就是電子在光的作用下從金屬表面產生的運動。發(fā)射現象最早由德國物理學家HR赫茲(HR Hertz,1857-1894)于1887年發(fā)現。在研究電磁波發(fā)射和接收的實驗中,他利用調諧電路中的火花隙來產生電磁波。應用另一個類似的電路來檢測電磁波,他意外地發(fā)現,當打火間隙產生的光與接收間隙隔離時,必須縮短接收間隙才能使其產生火花!任何其他火花的光照射到間隙的端點也會導致間隙之間產生火花。經過進一步調查,赫茲得出結論,造成這種現象的是光的紫外線部分。當光照射到間隙中的負極時,效果最強。顯然,負極在紫外線照射下更容易放電。他當時無法解釋這些現象,只是如實記錄下來。這些現象最早是在1887年發(fā)表的一篇題??為《論紫外線對放電現象的影響》的文章中描述的。 2.倫納德-赫茲發(fā)現磁偏轉定律,吸引了許多人從事這方面的研究。 1889 年,哈爾瓦克(,1859-1922 年)進行了一系列實驗。他用碳弧照射絕緣的鋅板,并將鋅板連接到驗電器,發(fā)現如果鋅板原本帶負電,則照射后會很快失去電荷;如果鋅板原本帶正電,則照射后仍保持不變。
用一塊玻璃隔開前面的碳弧,現象消失,說明確實是紫外線在起作用,鋅板發(fā)出的負電荷一定是負的。俄國人斯托萊托夫(1836-1896)也研究了光電效應并取得了重要成果。他發(fā)現:為了產生光電流,光必須被電極吸收;光電流的大小與入射光的強度成正比;實際上,光電流在照射開始時立即產生,不會隨著時間的推移而積累。在光電效應的研究過程中,德國物理學家、赫茲的助手雷納德(P.,1862---1947)做出了重要貢獻。他早在1889年就開始做一些簡單的光電效應實驗。起初,他假設光電效應是由陰極射線引起的,但他在1894年的實驗證明這種想法與事實不符。 1899年,JJ湯姆遜采用磁偏轉法切斷電流來測量光電流的荷質比,證實光電流和陰極射線是由同一類型的帶電粒子組成。 1900年倫納德也用磁偏轉法測量了光電流。對于荷質比也得到了同樣的結果。實驗裝置如圖1所示。當入射光照射到干凈的金屬表面(陰極K)時,電子被發(fā)射。如果一些電子撞擊陽極A,則電流流過外電路。陽極相對于陰極的電勢可以是正的或負的,以增加或減少到達陽極的電子數量。圖2所示為兩束不同強度的入射光照射在陰極C上時測得的電流與電壓的關系。當陽極A的電位高于陰極K的電位時,電子被吸引到陽極。當電壓值U足夠大時,電極C發(fā)射的電子全部到達陽極,因此電流達到最大值。
觀察到最大飽和電流與入射光強度成正比。他還創(chuàng)造了一種實驗方法,通過添加反向電壓來測量電子的最大速度,從而獲得反向電壓(也稱為阻止電壓)。 )與入射光的強度無關,即電子離??開金屬板的最大速度與光的強度無關。從圖2可以看出,不同光強的抑制電壓為(-U0)。這個結論顯然與經典理論相矛盾。根據經典理論,當光束強度增加時,作用在電子上的力也增加,因此光電子的動能也增加;而根據經典理論,光是一種電磁波,其能量是連續(xù)的。當照射光不太強時,只要照射足夠長的時間,電子也可以積累到從金屬表面逸出所需的程度。消耗的能量,但實驗事實不同。要么電子無論被照射多長時間都無法從金屬表面逃逸,要么電子一旦被照射就立即從金屬表面逃逸,根本沒有任何延遲時間(最多10-9秒的量級)倫納德贏得了1905年因發(fā)現光電效應的上述重要性而獲得諾貝爾物理學獎。 3.愛因斯坦——光子理論解決了難題。光電效應讓經典的電磁波理論陷入困境,為物理學的晴空增添了另一片烏云。這一事實啟發(fā)了年輕的愛因斯坦(A.,德國,1879)。 -1955) 他正在認真思考。這時,理論物理學家普朗克(M.,德國,1858-1947)發(fā)表了能量量子假說,成功解決了黑體輻射問題。愛因斯坦在研究金朗克的能量量子假說后,將量子理論徹底應用到輻射和吸收過程中,提出了新的光量子假說,從而解決了光電效應問題。
愛因斯坦認為,在光傳播的空間中,光的能量并不是均勻分布的,而是由局域于空間各個點的有限數量的能量量子組成。根據這一新觀點,光照射到達金屬板時,其所有能量都轉移給了某個電子。每個量子(即光子)的能量為 hυ。 h 是普朗克常數。 ν 是光的頻率。不同的光源有不同的光頻率。當光照射金屬板后愛因斯坦光電效應方程式,應滿足以下能量守恒方程。上式也稱為光電方程。方程中的 hυ 是光子的能量,w 是每個電子逃離金屬表面時必須克服的結合能。是電子離開金屬表面后的最大動能。從這個方程可以看出,電子吸收光子能量后,如果這個能量hυ大于結合能W,它就可以從金屬表面逃逸;否則,它無法從金屬表面逸出。逃逸,因為一個電子同時吸收兩個以上光子的概率極小,所以不能指望隨著時間的推移積累逃逸金屬表面所需的能量。某種金屬材料有一個閾值頻率。頻率低于閾值頻率的光照射不會導致金屬板釋放電子;當光的頻率高于這個閾值時,電子可以從吸收的光子中獲得足夠的能量來逃逸。從金屬表面逃逸的電子的最大動能顯然與光的頻率有關。愛因斯坦還因發(fā)現光電效應定律而獲得1921年諾貝爾物理學獎。 4. 密立根——準確的實驗結論 愛因斯坦的光量子假說和光電方程可以充分解釋光電效應中的各種現象,但并沒有立即得到人們的認可。受到的質疑比同年(1905年)還要多,就連一些相信量子概念的著名物理學家,包括普朗克本人,都反對他提出的狹義相對論。
一方面,這是因為經典電磁理論的傳統(tǒng)觀念深深束縛了人們的思維;另一方面,也是因為這一假設尚未得到充分驗證。因此,科學家們從1907年就開始從事這方面的研究工作,主要困難是接觸電位差的存在和金屬表面氧化物的影響。例如,1907年(E.)用六種不同頻率的紫外光照射金屬表面,并測量了最大發(fā)射能量(用抑制電壓U.表示)。然而,得到的經驗公式是一個常數,而不是愛因斯坦的光電方程。線性關系,即其他科學家工作的實驗結果也與理論預期有很大差異。直到1916年,密立根(RA,美國人,1868-1953)的精密實驗才完全證實了愛因斯坦的光電方程。這是密立根花了十年時間研究接觸電位差、消除各種誤差源并改進去除氧化膜的真空裝置后實現的。尤其是去除表面氧化層的問題在技術上尤為困難。然而,密立根確實是一位杰出的實驗物理學家。他巧妙地設計了試管,終于解決了金屬氧化的問題。示意圖如圖3所示,將玻璃管抽成高真空,將堿金屬樣品制成小圓柱狀,固定在小輪W上。管外有電磁鐵(圖中未示出) )可轉動小輪,將樣品與入射光窗o對準,用電磁鐵控制刀K對圓柱形樣品進行薄切,刮去金屬表面極薄的一層氧化層。密立根將這項技術稱為“真空機械切割”,金屬將光電子發(fā)射到與敏感檢流計相連的金屬絲圓筒中。
對于各種頻率的入射光,為了防止光電子發(fā)射,金屬圓柱體樣品表面的電勢高于絲網圓柱體。為了使銅電極S和B具有相同的接觸電位愛因斯坦光電效應方程式,對其進行了非常精細的加工。如果由于某種原因在電極 S 和金屬圓柱體之間產生電勢差,則改變它們之間的距離(通過銅電極 S 上的旋塞閥)會導致電流在與其連接的靜電計中流動。這樣,如果施加的外部電勢的值使得電荷沒有移動,則該外部電勢僅補償接觸電勢。實驗的目的是盡可能準確地檢查表示入射光頻率與最大電位差之間關系的直線的斜率。密立根得到的金屬鈉的最大光電子能量(基于停止電位差測量)與入射光頻率的關系如圖4所示。可以看出,線性關系非常好,斜率也很好。可以得到曲線,即斜率為。密立根可以根據從圖中獲得的斜率值并使用他之前的油滴實驗中測量的電子電荷e值來計算普朗克常數erg·秒。這與普朗克根據絕對黑體輻射定律中的常數計算出的值完全一致。在許多其他能產生光電效應的材料表面上進行的實驗貝語網校,在實驗誤差范圍內也得到了相同的結果。非常有趣的是,密立根的精密實驗驗證了愛因斯坦光電方程的正確性,卻與他的預想完全相反。密立根對愛因斯坦的光電子假說一直持保留態(tài)度。他說:“經過十年的實驗、改造和學習,有時甚至是錯誤,我從一開始就把全部的心血投入到光量子發(fā)射能量的精確測量上,測量它隨溫度、波長的變化,作為材料的功能(接觸電位差)發(fā)生變化。
與我自己的預期相反,這項工作最終成為1914年第一個直接的實驗證據,證明愛因斯坦方程在較小的實驗誤差范圍內是準確有效的,也是第一次從光電效應直接測量普朗克常數。 h,得到的精度約為0.5%,這是當時能得到的最好值。”密立根在事實面前服從了真理,進而宣布愛因斯坦光電方程被完全證實,值得后人學習由于他在光電效應和基元電荷測量方面的杰出研究,他獲得了1923年的諾貝爾物理學獎,在我們的教科書中討論了與“減反射涂層”研究相關的四個問題。增透膜的應用,由于篇幅較短,介紹的比較淺,所以我們整理了一篇短文,以滿足同學們的好奇心,開闊一下他們的視野。 1.為什么要給光學鏡片鍍膜呢?透明薄膜,即抗反射涂層?現代光學設備,例如相機、電影放映機鏡頭、潛艇潛望鏡等,是由許多光學元件組成的,例如這些設備中的透鏡、棱鏡等。部分光線在每個鏡面反射,因此只有 10% 至 20% 的入射光通過該裝置,所得圖像暗且不清晰。計算表明,如果一個設備包含六個透鏡,那么 50% 的光將被反射。如果在鏡面鍍上透明薄膜,即增透膜,就會大大減少光的反射損耗,增強光的透過強度,提高成像質量。
2、為什么要求增透膜的厚度為薄膜介質中入射光波長的四分之一?當光照射到兩種透明介質的界面時,如果光從光密介質發(fā)射到光稀疏介質,則光可能會發(fā)生全反射;當光從光稀疏介質傳播到光密介質時,反射光會發(fā)生半波損耗。對于玻璃鏡片上的增透膜來說,其折射率介于玻璃和空氣的折射率之間。當光線從空氣射向鏡頭時,薄膜兩側的反射光都有半波損耗,因此薄膜的厚度只要滿足兩反射光的光程差為半個波長。薄膜背面的反射光比正面的反射光傳播的距離更長,是薄膜厚度的兩倍。因此,薄膜厚度應為薄膜介質中光波長的1/4,使兩束反射光相互抵消。可見增透膜的厚度d=λ/4n(其中n為薄膜的折射率,λ為光在空氣中的波長)。 3、為什么減反射膜要鍍折射率為1.38的氟化鎂?單層增透膜的理論基礎表明,當薄膜的折射率n滿足:(其中n空和n玻璃分別為空氣和玻璃時的折射率)時,反射光的強度為零透光率為100%。對于一般折射率在1.5左右的光學玻璃,為了用單層薄膜達到100%的減反射效果,必須確定薄膜的折射率。具有如此低折射率的涂層材料很難找到。因此,現在一般采用折射率為1.38的氟化鎂(MgF2)來鍍單層減反射膜。
但對于折射率較高的光學玻璃,單層氟化鎂膜即可達到良好的減反射效果。 4、為什么鍍有增透膜的光學鏡片會呈現淡紫色?對于減反射效果好的氟化鎂膜,仍有約1.3%的光能被反射。另外,對于其他波長的光,給定的膜層厚度不是膜中這些光波長的1/4,減反射效果較差。一般情況下,入射光為白光,增透膜在反射時只能使某一波長的光相互抵消,不可能使白光中所有波長的光相互抵消。選擇增透膜時,一般要使人眼敏感的綠光在垂直入射時相互抵消。此時,光譜邊緣的紅光和紫光還沒有完全抵消。因此,出現了鍍有增透膜的光學鏡。紫丁香。