​光电效应系列之四——密立根的贡献

光电效应系列之四——密立根的贡献

密立根的贡献

赫兹偶然发现了光电效应现象，勒纳德非常完善地总结出了光电效应的种种规律，爱因斯坦用光子说进一步非常完美地解释了这个现象，关于光电效应的这一切，似乎已经十分完美。但是，历史的事实却并不是这么简单的，尤其是爱因斯坦用光子说去解释光电效应的时候，他所提出的这种光量子理论和以此为基础得出来的光电效应方程，在一开始的时候并没有得到广泛的认可，很多的物理学家都在怀疑爱因斯坦，甚至于连首先提出能量量子化的那位普朗克先生都对爱因斯坦的说法持否定的态度。

证明爱因斯坦光量子理论和光电效应方程的实验，自然不是爱因斯坦本人去完成的，完成这个实验的是一位非常擅长做实验的物理学家，他就是密立根先生。说起这位密立根先生，首先要提起的就是他最著名的的测量电子电荷量的油滴实验。不过，在介绍密立根先生所做的实验之前，还需要交代一点东西，不然大家看起来是要犯糊涂的。

首先，先来再谈谈爱因斯坦的光电效应方程。在上面，我们可以看到光电效应方程里面包含了三个部分：光量子能量、光电子初动能和光电子的逸出功。这里面，光量子能量直接与光的频率有关，而光电子初动能，则需要用另外一个物理量来反映一下。假设，光电子以初动能离开了金属表面的时候，如果一切顺利，它会直接到达对面的接受极板上，使得构成的电路中出现电流，光照不停，电流不断。

如果，此时在这个极板和发生光电效应的金属上加上一个电压，使得光电子一出来就在电场力作用下做减速运动，如果所加的电压合适，让光电子即将到达接受极板的时候速度变成零，那么这个过程中电场力做的功在数值上就等于光电子刚刚离开金属表面的动能了。这样的电压，在光电效应研究中被称为遏止电压。从爱因斯坦的光电效应方程中不难看出，这个遏止电压与入射光频率之间应该是一种一一对应的线性关系。如果，能够用实验将这个线性关系做出来，爱因斯坦的理论就可以被顺利证明了。

做实验，是实验物理学家们的喜好，无论是出于肯定还是否定爱因斯坦的目的，不少的实验物理学家投入到了检验光电效应方程的实验研究之中。因为一些技术上的问题，这个实验研究的过程还是经历了不少的曲折的。

1910年，实验方面的验证终于有了突破性的进展，这个突破性的进展就是由密立根先生来完成的，不过密立根先生真正完成这个实验，却是一直延续到了1916年的，这样的一个漫长过程，也在一定程度上说明了实验验证的艰难和曲折。

首先，密立根先生克服了之前的那些实验物理学家们在实验过程中遇到了诸多技术问题，采取了更为有效的手段将那些问题带来的影响给消除到了最小的地步。比如说，在以前的实验中，电极的表面都很容易出现一层氧化膜，而这层氧化膜对于实验的影响又是不可轻视的，为了解决这个问题，密立根在装置里巧妙了安置了一个可以随时转动的剃刀，当需要开始实验的时候，就转动这个剃刀刮掉电极上薄薄一层表皮，让新刮出来的表面在真空中保持清洁。

其次，在具体实验的时候，密立根先生是这样做的，他选择了6种不同波长（频率自然也就不同了）的光，分别测量它们在不同电压情况下光电流的大小，然后绘制出电压和光电流之间的曲线图像，从图像中再获得某一波长的光照射下被测金属的遏止电压。这样，6种频率对应六个不同的遏止电压，再次以此为坐标做出图像来，正好是一条漂亮的直线。不仅如此，密立根还根据这根直线的斜率求出了普朗克常数的数值，这个结果与1900年普朗克自己从黑体辐射获得结果非常吻合。

如此一来，密立根的实验就非常完美地证明了爱因斯坦的光量子理论对光电效应的分析，光量子理论从此才算是被人们真正地承认。

作者：韦中燊 来自 物理学习研究