光电效应论文爱因斯坦
爱因斯坦光电效应方程的适用条件
爱因斯坦光电效应方程的适用条件
爱因斯坦的光电效应方程是：E=hv - W0，其中E是电子的动能，h是普朗克常数，v是光的频率，W0是金属的逸出功。
这个方程描述了光照射在物质上，使得物质中的电子获得足够的能量，从而逸出物质表面的现象。
因此，光电效应方程的适用条件包括：
1.光必须具有足够的能量：根据方程，光的频率v越高，光子的能量hv就越大。
因此，
只有光的频率高于某一阈值时，才能激发出电子。
这个阈值被称为金属的逸出功
W0。
换句话说，只有光的频率高于金属的逸出功时，才能发生光电效应。
2.物质必须能吸收光的能量：光电效应只能在物质中发生，因此物质必须能够吸收光的
能量。
通常，金属是良好的光电效应材料，因为金属中的自由电子可以吸收光子的能量并逸出金属表面。
3.光必须照射在物质表面上：光电效应只能在光照射在物质表面上时发生。
如果光照射
在物质的内部，那么光子的能量可能会被物质吸收或散射，但不会激发出电子。
综上所述，光电效应方程的适用条件包括光必须具有足够的能量、物质必须能吸收光的能量以及光必须照射在物质表面上。
只有在这些条件下，光电效应才能发生，并且可以用爱因斯坦的光电效应方程来描述。
光电效应实验报告
一、 引言当光束照射到金属表面时，会有电子从金属表面逸出，这种现象被称之为“光电效应”。
对于光电效应的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了光的量子理论的建立和近代物理学的发展。
现在观点效应以及基于其理论所制成的各种光学器件已经广泛用于我们的生产生活、科研、国防军事等领域。
所以在本实验中，我们利用光电效应测试仪对爱因斯坦的方程进行验证，并且测出普朗克常量，了解并用实验证实光电效应的各种实验规律，加深对光的粒子性的认识。
二、 实验原理1. 光电效应就是在光的照射下，某些物质内部的电子背光激发出来形成电流的现象；量子性则是源于电磁波的发射和吸收不连续而是一份一份地进行，每一份能量称之为一个能量子，等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率，即E=h*f （f表示光子的频率）。
2. 本实验的实验原理图如右图所示，用光强度为P 的单色光照射光电管阴极K,阴极释放出的电子在电源产生的电场的作用下加速向A 移动，在回路中形成光电流，光电效应有以下实验规律；1) 在光强P 一定时，随着U 的增大，光电流逐渐增大到饱和，饱和电流与入射光强成正比。
2) 在光电管两端加反向电压是，光电流变小，在理想状态下，光电流减小到零时说明电子无法打到A,此时eUo=1/2mv^2。
3) 改变入射光频率f 时，截止电压Uo 也随之改变，Uo 与f 成线性关系，并且存在一个截止频率fo,只有当f>fo 时,光电效应才可能发生，对应波长称之为截止波长（红限），截止频率还与fo 有关。
4) 爱因斯坦的光电效应方程：hf=1/2m(Vm)^2+W,其中W 为电子脱离金属所需要的功，即逸出功，与2)中方程联立得：Uo=hf/e – W/e 。
光电效应原理图3.光阑：光具组件中光学元件的边缘、框架或特别设置的带孔屏障称为光阑，光学系统中能够限制成像大小或成像空间范围的元件。
简单地说光阑就是控制光束通过多少的设备。
主要用于调节通过的光束的强弱和照明范围。
深刻理解光电效应
第七章：光电效应属于爱因斯坦的桂冠今天这一章我们来讲讲光电效应。
光电效应是指光束照射在金属表面会使其发射出电子的物理效应。
发射出来的电子称为“光电子”。
要发生光电效应，光的频率必须超过金属的特征频率。
1887年，德国物理学者海因里希·赫兹发现，紫外线照射到金属电极上，可以帮助产生电火花。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表论文《关于光产生和转变的一个启发性观点》，给出了光电效应实验数据的理论解释。
爱因斯坦主张，光的能量并非均匀分布，而是负载于离散的光量子（光子），而这光子的能量和其所组成的光的频率有关。
这个突破性的理论不但能够解释光电效应，也推动了量子力学的诞生。
由于“他对理论物理学的成就，特别是光电效应定律的发现”，爱因斯坦获1921年诺贝尔物理学奖。
光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。
这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
光束里的光子所拥有的能量与光的频率成正比。
假若金属里的电子吸收了一个光子的能量，而这能量大于或等于某个与金属相关的能量阈值（称为这种金属的逸出功），则此电子因为拥有了足够的能量，会从金属中逃逸出来，成为光电子；若能量不足，则电子会释出能量，能量重新成为光子离开，电子能量恢复到吸收之前，无法逃逸离开金属。
增加光束的辐照度（光束的强度）会增加光束里光子的密度，在同一段时间内激发更多的电子，但不会使得每一个受激发的电子因吸收更多的光子而获得更多的能量。
换言之，光电子的能量与辐照度无关，只与光子的能量、频率有关。
逸出功 W 是从金属表面发射出一个光电子所需要的最小能量。
如果转换到频率的角度来看，光子的频率必须大于金属特征的极限频率，才能给予电子足够的能量克服逸出功。
逸出功与极限频率 v0之间的关系为：W=h*v0。
光电效应光子爱因斯坦方程
德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性。
粒子性
E mc2 h
P
mv
h
/
波动性
第十五章 量子物理
8
物理学
15-6 德布罗意波 实物粒子的二象性
第五版
德布罗意公式
h h
p mv
这种波称为德布罗意波或物质波
注意
(1)若 vc 则 mm0
若 v c则 m
m0
1
v2 c2
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15-6 德布罗意波 实物粒子的二象性
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物理学
15-6 德布罗意波 实物粒子的二象性
第五版
德布罗意（1892 — 1987）
法国物理学家，原来学习历史. 1924年在他的博士论文《关于 量子理论的研究》中提出把粒 子性和波动 性统一起来. 为量子力学
的建立提供
了物理基础.
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物理学
15-6 德布罗意波 实物粒子的二象性
dsin kh 1
2emU
sin kh 1
d 2emU
sin 0.77 k7
当 k 1时， ar0 c .7s 7 5 i n 7 与1 实验结
果相近.
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物理学
15-6 德布罗意波 实物粒子的二象性
第五版
三 应用举例
1932年鲁斯卡成功研制了电子显微镜 ;
1981年宾尼希和罗雷尔制成了扫描隧穿 显微镜.
第五版
光的波粒二象性
粒子性
（具有能量） E
h
（具有动量）P
波动性
（具有频率）
（具有波长）
爱因斯坦光电效应
爱因斯坦光电效应
爱因斯坦光电效应是指当一束可见光照射到金属表面时，金属表面上会产生一种电流，这种电流称为“爱因斯坦光电效应”。
它是1905年由爱因斯坦发现的，其发现使物理学家开始研究光子，从而开启了量子力学的兴起。
爱因斯坦光电效应主要是指光被吸收或反射时，金属表面会产生电流。
其根本原理是由于光在透过金属表面时会激发金属中的电子，使得金属表面产生电流，从而产生爱因斯坦光电效应。
当光被吸收时，电子能量转移将会增加金属表面的电荷，而反射时则电荷会减少。
这样，金属表面就会产生一种电流，称为爱因斯坦光电效应。
光电效应爱因斯坦方程
光电效应爱因斯坦方程
爱因斯坦的光电效应方程是一个十分重要的物理方程，是由著名物理学家爱因
斯坦提出的物理定律。
在20世纪早期，他做出了一个很重要的发现，提出了一个
关于电场中光电效应的实验方程。
爱因斯坦方程描述了在某种类型的电场中，光激发电子能量等离子层极化时发
生的物理过程。
当光线照射在某种物质上时，物质中的电子经受着这种照射，就会被激发出电子层极化的能量，从而使极化度增加，极化度的存在就是由爱因斯坦的光电效应方程所描述的。
爱因斯坦的光电效应方程的对科技的发展也有一定的影响，由于它提供了关于
光和电子之间能量转移的描述，最终导致了电子科技的进步，并影响了当今家庭生活中使用各种电子设备，通信等等。
据报道，爱因斯坦在他的杰出发现中，他用了一种新的物理定律来描述光电效应，这种物理定律被命名为“爱因斯坦光电效应方程”。
该方程提供了一个框架，可以用来理解光和电子在电场中之间的能量转移过程，从而帮助我们更好地分析不同的光电效应和应用，可以说，爱因斯坦的发现在当今科技发展中发挥了重要作用。
爱因斯坦和光电效应
首都师范大学学报(自然科学版)第26卷 第4期2005年12月Journal of Capital Normal University(Natural Science Edi tion)Vol.26,No.4Dec. 2005爱因斯坦和光电效应蒋长荣 刘树勇(首都师范大学物理系,北京 100037)摘要介绍了光电效应的发现、光电效应理论解释、密立根光电效应实验,着重讨论了爱因斯坦在1905年提出光量子概念,从而正确解释光电效应的工作.关键词:赫兹,光电效应,勒纳,爱因斯坦,密立根,康普顿.中图分类号:O 4-09收稿日期:2005 02 05光电效应最早是德国物理学家赫兹(H Hertz,1857~1894)于1886年发现的,后经德国物理学家勒纳(P Lenard,1862~1947)等人对其规律进行了进一步研究.1905年,爱因斯坦提出 光量子 概念,从理论上解释了光电效应,然而他的解释却受到了学术界的普遍质疑,这种情况直到密立根(R likan,1868~1953)的实验后才得以改变.1921年,爱因斯坦因对理论物理学所作的贡献,特别是因从理论上解释了光电效应定律而获得了诺贝尔物理奖.从1886年赫兹发现光电效应到1921年爱因斯坦因光电效应定律获奖,人们对光电效应的研究经历了30多年,可见其认识历程之曲折.1 赫兹发现光电效应和勒纳的实验研究1 1 赫兹对光电效应的发现[1]光电效应最初是赫兹在1886年12月进行电磁波实验研究中偶然发现的.尽管是在偶然的情况下发现这一效应的,但他立刻意识到它的重要性,因此,在以后的几个月中他暂时放下了手头上的电磁波研究工作,对这一现象进行了专门的研究.1887年5月底,赫兹将几个月来的研究成果写成研究论文!论紫外线对放电的影响∀寄给了!物理年鉴∀.赫兹这唯一一篇关于光电效应的论文,详细描述了他如何注意照射到次级火花隙极片上的光增强了隙间火花.为了弄清光是如何使火花增强的,他分别用铜、黄铜、铝、铁、锡等不同金属材料作为电极片进行实验,又使用不同光源如火光、阳光、电弧光等进行实验,他还在光源和火花隙之间放置各种气体、液体和固体进行实验.根据这些实验的结果,他推断使火花明显增强的有效辐射有一个接近可见光谱的极限.为此,他又使用石英棱镜色散不同光源进行实验,结果发现使火花增强的辐射的确都是紫外光.虽然赫兹没能给光电效应以合理的解释,但他认识到了它的重要性.1887年7月7日,赫兹用最浅显的术语写信向他父亲解释他的光电效应的研究.他在信中概述了他的研究情况: 这个效应是明显的,然而又是令人迷惑的.如果少一些迷惑,那自然更好;但不能轻易解开谜底也并非坏事,因为一旦谜底揭开,将会有许多新的事实被澄清. [2]1 2 勒纳等人的研究赫兹的论文发表后,光电效应成了19世纪末物理学中的一个非常活跃的研究课题.在以后10年中,各国科学家对此发表的论文近百篇.1888年,哈尔瓦克(W Hall w achs,1859~1922)拓展了赫兹的工作,进一步实验发现若用紫外线照射金属板时,从金属板向外产生一带负电荷的粒子流.无论金属板最初是不带电或带有负电荷,这种现象都会出现.后来,埃尔斯特(Elster)和盖特尔(Geitel)发现不同金属发生光电效应所需光的波长不同.对于碱金属元素钠、钾、铷,仅用可见光就会产生光电效应.埃尔斯特还发现光电效应中产生的带负电的质点的荷质比与电子的荷质比相同,从而证实光电效应中产生的带负电的质点就是电子,称为光电子.勒纳是赫兹的助手和学生,很早就对光电效应产生了兴趣.当勒纳对阴极射线的研究取得突破性进展后,他回到了对光电效应的问题上来.为了加速电子的速度和测量它们的能量,勒纳发明了一种 光电管.这是一种类似于我们今天的 三极管的仪器.不同之处在于他的 光电管的阴极发射的电子是用光照射出的,而三极管中的阴极是白炽灯丝,可向真空中发射很强的电流.这种 光电管的发明,可以让他进行定量实验,大大方便了他的研究.1902年他发表论文介绍他的研究成果.勒纳得出,发射的电子数正比于入射光所带能量.电子的速度和动能与发射的电子数目完全无关,而只与光波长有关,波长减小动能增加.每种金属对应一特定频率,当入射光小于这一频率时,不发生光电效应.勒纳虽然对光电效应的规律认识得很清楚,但对其解释却是错误的.他认为: ##逸出的能量并不完全来自紫外线,而是来自特定原子的内部.紫外线只起激发作用,很象引信点燃装了子弹的枪一样.我发现这个结论很重要,因为由此我们可以懂得,不仅镭原子含有储存的能量,其他元素的原子也储存着能量,它们也能发出辐射,而且当发出辐射时原子可能完全碎裂.[3]1905年以前,对光电效应的解释都是不能令人满意的,因为,用现在的眼光来看,光电效应是不可能在经典物理学基础上解决的,它的解决,期待着革命性的观点.1905年,这种革命性的观点终于提了出来,它就是爱因斯坦的 光量子假说.2 爱因斯坦与光电效应2 1 关于!关于光的产生和转化的一个启发性观点∀的论文1905年,爱因斯坦完成了6篇论文,在物理学的三个领域上都有重大发现,但被他自己称为 革命性(爱因斯坦罕用 革命一词)的却只有!关于光的产生和转化的一个启发性观点∀一篇.该论文完成于3月17日,6月发表在!物理学纪事∀(Annalen der Physik)第17卷第一期上.爱因斯坦在该文中写道: 确实,在我看来,关于∃黑体辐射%、光致发光、紫外线产生阴极射线,以及其它一些有关光的产生和转化的现象的观察,如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假设来解释,似乎就更容易理解.按照这里所设想的假设,从点光源发射出来的光线的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间体积中的,而是由个数有限的、集中在空间某些点的能量子所组成,这些能量子能够运动,但不能分割,而只能整个地被吸收或产生出来.[4]在论文中爱因斯坦创造性地提出 光量子概念,并借此来解释光致发光(荧光)、光电效应等现象.对于光电效应他指出, 关于光的能量连续地分布在它经过的的空间之中这种通常的见解,当试图解释光电现象时,遇到了特别大的困难.[5]他用下列方法解决此困难. 按照入射光由能量为RN0的能量子所组成的见解,用光来产生阴极射线可以如下方式来解释.能量子穿透物体的表面层,并且它的能量至少有一部分转换为电子的动能.最简单的设想是,一个光量子把它的全部能量转移给单个电子;我们要假设这是能够发生的情况.可是,我们不排除电子只从光量子那里吸收一部分能量的可能性.[6]按照上述说明则被发射的电子将接受的动能为E min=RN0-p,其中RN0即普朗克常数h,为光的频率,p为电子离开物体时所作的功.爱因斯坦进一步指出,当把上式E min作为入射光的频率的函数而在笛卡尔坐标系中画出时,就必然得到一条直线,并且其斜率不依赖于所研究的物质的种类.显然,斜率就是h.在当时,爱因斯坦的解释虽与勒纳的实验不矛盾,但也得不到确切的验证,加上基本观点的革命性,很长时间不能被人们接受.应该说爱因斯坦的这篇论文并不像一些文章所说的,是为了说明光电效应而写.他更多的是利用能量子假设把普遍的热的分子理论或统计力学应用到热辐射问题中去,而对光电效应等的解释只是对他前述理论的一种核对.[7]例如,关于辐射的研究 结论是: 能量密度小的单色辐射(在维恩辐射公式有效的范围内),从热学方面看来,就好象它是由一些互不相关的、大小为RNv的能量子所组成.[8]这的确是一个革命性的观点,正如海森伯(W Heisenberg,1901~1976)所说: 光射到照相底片33第4期蒋长荣等:爱因斯坦和光电效应上时所引起的光化学过程,是突然而冲击式地发生的.在解释勒纳的实验时,又复活了老的牛顿理论,这个理论把光线看作是一群飞得很快的微粒.这两个直观都在这里为有关光的本性的那些实验提供了很自然的解释,然而它们却处于不可调和的矛盾之中,而在普朗克的发现之后的一个时期内,一切想用附加假定来解决这个矛盾的种种尝试,均以失败而告终.这就表明了这里所涉及到的是这样一个困难,这个困难正在撼动着严密自然科学的基础.[9]2 2 因为什么授诺贝尔奖给爱因斯坦从1909年,著名科学家、哲学家奥斯特瓦尔德(F W Ostwald,1853~1932)第一次因狭义相对论提名爱因斯坦为1910年诺贝尔物理奖候选人起,此后10余年,普朗克、劳厄、玻尔等许多当时顶尖级的科学家都曾提名过爱因斯坦,他们的理由大多是相对论或广义相对论,也有少数是因为爱因斯坦在统计物理学方面的工作.1919年,英国的日食远征考察队证实了广义相对论对光经太阳引力场发生偏折的预言.从此,爱因斯坦世界闻名.这时,已经不是是否该给爱因斯坦诺贝尔奖的问题,而是,该因什么而授予他.对于相对论,虽然当时的著名科学家大都已经接受,但就是那少数几个也许并不很出名的科学家,令保守的诺贝尔奖委员会不能做决断.如果因统计力学方面的论文,委员会又认为 那是会使学术界感到奇怪的[10].1921年,普朗克(M Planck,1858~ 1947)等再次以广义相对论提名爱因斯坦,瑞典物理学家奥席恩(C W Ossen,1879~1944)因光电效应提名爱因斯坦.但由于广义相对论还有争议加上写评价报告的人不懂相对论,而写评价光电效应报告的人不理解爱因斯坦光电效应工作的价值,1921年的物理奖干脆未授,而其他奖项照发.1922年,有更多的科学家因相对论提名爱因斯坦,而奥席恩重复以光电效因提名爱因斯坦.这次委员会要奥席恩写评价报告,奥席恩的报告十分精彩,因此,委员会决定绕过相对论以光电效应的名义授奖.委员会采纳了普朗克的建议把1921年的物理奖补发给爱因斯坦,而1922年的物理奖给玻尔.至此,爱因斯坦因在理论物理学方面的贡献,特别是光电效应定律的发现而获得1921年的诺贝尔物理奖.3 光量子假设的论证爱因斯坦关于光电效应的研究无疑是与勒纳的实验工作分不开的,但爱因斯坦在解释光强与电子能量无关的问题的同时,还表明了能量与频率是线性的关系,并与材料性质无关;此外,如果进行精确测量的话,还可以借助爱因斯坦的方程测定普朗克常数.3 1 密立根实验最初,人们对爱因斯坦方程的验证并非不重视,但直到1915年,还不能从实验上得到确定的结论.然而已有迹象表明,实验的结果开始向爱因斯坦的方程靠拢.而在这些工作中,最有代表性的无疑是美国物理学家密立根的实验研究.由于爱因斯坦方程极为简捷,它作为确定普朗克常数的实验是非常合适的.密立根的实验工作是极为有趣的.最初,密立根对爱因斯坦方程持有怀疑的态度,他做实验并不是试图从实验上支持爱因斯坦的结论,而是想证明爱因斯坦是错误的.这样,在实验证明爱因斯坦的方程是正确的之后,他仍认为, 对爱因斯坦方程的全面而严格的正确性作出绝对有把握的判断还为时过早.但他还是承认, 现在的实验比过去的所有实验都更有说服力地证明了它.如果这个方程在所有的情况下都是正确的,那就应该把它看作是最基本的和最有希望的物理方程之一,因为它是可以确定所有的短波电磁辐射转换为热能的方程.[11]尽管他对光量子假说所保持的怀疑态度并不奇怪,然而他从实验上迈出第一步还是可喜的和关键的一步.3 2 对光量子假说的抵制对于量子假说(包括光量子假说),在20世纪最初的20年间,人们的态度是明显抱有否定的态度.正如佩斯(A Pais)所说: 关于旧量子理论的头三篇革命性的文章是普朗克、爱因斯坦和玻尔(N Bohr, 1885~1962).所有这三篇文章都包含对经典概念的否定,反对普朗克和玻尔思想&&&肯定不是没有&&&其明显和猛烈程度远不如对爱因斯坦的情形.[12]为什么会如此呢?佩斯认为,普朗克和玻尔的假说都是从实验开始,并得到实验的支持,人们的怀疑主要来自理论的分析.而爱因斯坦的光电效应理论,除了个别的带有人身攻击和科学家惯常的关于优先权的争论,主要原因是并没有实验与光量子假说的较高的契合程度,并且勒纳的实验也并不精确;而为了得到精确的实验结果,爱因斯坦和关心光电效应研究的人们竟然等待了10年之久.当然反对或怀疑光量子假设的人还有一种奇怪的态度.正如密立根所表示出来的情绪,尽管他的实34首都师范大学学报(自然科学版)2005年验证实了爱因斯坦方程,但他还是认为,光量子假设 看上去是站不住的.类似的还有著名的英国核物理学家卢瑟福(E Rutherford,1872~1937),他也认为, 能量和频率之间的这种明显联系,现在没有可能的物理解释.[13]其实,对于光量子假设,爱因斯坦也是有所保留的.甚至,爱因斯坦在一封信中写到, 至于这些量子是否确实存在,我不再过问了.我也不再去设法解释它们,因为,我已经明白,我的脑子是无法彻底理解它们的.[14]到1916年,对于光量子假设的研究可谓 柳暗花明又一村.从爱因斯坦给贝索(M A Besso,1873~1955)的信中可以看出,爱因斯坦的心情是较好的(这部分原因可能还有他的广义相对论的完成).他甚至还认为光量子说 已肯定了.在!关于辐射的量子理论∀中,爱因斯坦注意到,自发辐射和受激辐射之不同,这对后来激光技术的开发奠定了理论的基础.当然这是后话.3 3 康普顿效应富于戏剧的一幕反映在关于X射线的研究.尽管伦琴(W K R ntgen,1845~1923)发现X射线己过去了20年,这期间,对于X射线的波动性有了很好的研究,然而对X射线的性质仍未能有一致的看法.尽管爱因斯坦这时已坚信光量子的存在(甚至在研究中还抽象出 光子的概念[15],例如,受激辐射的光子不但频率、位相相同,而且振动方向与入射光子也相同,这种光学技术后被称作 激光),但对于从实验上如何加以验证,爱因斯坦并未讲清楚.对此,德国物理学家德拜(P Debye,1884~1966)和美国物理学家康普顿(A H Compton,1892~1962)各自独立地推出静止电子散射光子的相对论性运动方程.这样,关于光子性质的验证就自然形成了,而这些验证还自然地被看作是光量子假设的 判决性验证.佩斯说, 对光子思想是个质朴的检验[16].康普顿认为,当X射线的波长短到与电子大小接近时,可以产生干涉现象.但是实验表明,经典理论出现了困难.康普顿说道: 二次伽玛射线要比激发它们的原初伽玛射线∃软%一些.最近的一些实验表明,X射线的情况也是如此.根据对石墨所产生的二次X射线的光谱检测,我实际上已经证明,二次X 辐射中即使存在与原初辐射波长相同的成分,充其量也只占很少的一部分.##波长的这种变化直接与汤姆孙(J J Thomson,1856~1940)的散射理论相矛盾,因为这一理论要求造成散射的电子在原初X 射线作用下发生受迫振动,因此,它本身发出的辐射就应该和落到自己头上的辐射有完全相同的频率.对这一理论做任何修补&&&比如假设电子是很大的&&&也无法解脱困境.由于这一失败,想在经典电动力学的基础上作出对X射线散射的满意解释,看来是不太可能实现的.[17]其中汤姆孙的理论认为,散射应是各向同性的,入射线束在散射物质周围应均匀分布.为此康普顿引入量子散射的观点.他分析道: 辐射量子在路径上的这种弯折,会造成其动量的变化.因此,造成散射的电子会以等于X射线动量改变时的动量发生反冲.散射射线的能量应对于入射线的能量减去散射电子的反冲动能;而且由于散射射线必然是一个完整的量子,因而其频率也按能量改变的同一比率减小.这样,我们就能由量子理论确信散射X射线具有大于入射射线的波长.[18]康普顿还分别推导出相应的动量守恒和能量守恒的公式.此后,康普顿还依据 X射线量子是被电子逐个散射的假设提出X射线散射理论.他指出: X射线量子的运动方向发生改变,动量也便发生改变,这就造成了散射电子的反冲.反冲会使辐射量子的能量减小,频率也因之变低.散射所造成的X射线在波长上的相应增加量为-0=!(1-cos∀)式中,0是原初射线的波长,为沿与原初射线成∀角散射出的射线波长,而!=h/mc=0 0242A 这里,h为普朗克常数,m为电子静止质量,c为光速.[19]辐射能量所以降低,是因为能量用hv表示.最后,康普顿认为,实验与(光)量子理论是相符合的.这样,爱因斯坦的光量子假说成功地解释了光电效应和康普顿效应,使人们逐渐接受了光量子假说.由于光量子动量的确认,在1926年,美国物理学家刘易斯(Gilbert Newton Lewis,1875~1964)提出了光子概念,以取代光量子.有趣的是,康普顿开始并未理会爱因斯坦的光量子假说,因此在他的论文中就根本未提到爱因斯坦的观点.而康普顿效应作为一个光量子效应,其反响是巨大的,据说,索末菲(A J W Sommerfeld,1868 ~1951)在新版的!原子结构与光谱线∀中适时地补充了康普顿效应.他认为, 这可能是在当前物理学现状中能够作出的最重大的发现.[20]4 光量子的争论我们知道,关于光量子概念,一开始就受到广泛35第4期蒋长荣等:爱因斯坦和光电效应的批评.原因是科学家并不愿意破坏电磁波连续传播的图景,而量子的这种破坏作用,较为保守的观点是尽量限制它的作用.代表这种观点的是量子观点的创立者普朗克.1907年,普朗克曾这样写道: 我不是在真空中寻求作用量子的意义,而是在发生发射和吸收的那些地方,而且(我)假设发生在真空中的现象是由麦克斯韦方程来严格描述的.[21]其实,由于光量子假说与电磁波之中图景的矛盾爱因斯坦最初也持有较为谨慎的态度,爱因斯坦这种态度使一些人以为他放弃了光量子假设.其实,爱因斯坦的态度所以谨慎,其原因在于难以对光量子的波-粒二象性作出解释.这样两种相互矛盾的性质曾在历史上引起激烈的争论,并且是彼长此消或彼消此长.这虽然表现出人类认识的反复性或曲折性,但也的确表现出其复杂性.虽然密立根和康普顿的实验对光量子假说有益,爱因斯坦还是有些不安,他说: 现在有两种光的理论,这两种理论没有任何逻辑联系,但我们却都不得不承认它们,因为它们是20年来理论物理学家付出了巨大代价才取得的.[22]更有甚者,玻尔、克拉默斯(H A Kramers)和斯莱特(J C Slater)提出新的反对的看法,通常被称作 BKS建议.这个建议指出,在原子跃迁而产生辐射的过程中,其量子特征破坏了能量守恒和动量守恒,或使这样的守恒只存在一种统计平均的结果.玻尔等人的这个说法是有代表性的,像能斯特(W Nernst,1864~1941)和索末菲等人也曾有过类似的提法.否定光量子,而坚持光连续传播的观点主要是由于对应原理不能解释光量子的二象性,而互补原理是量子力学建立(1925年)之后才提出的.此外,对于自发跃迁的概念,玻尔等人也持否定态度.针对康普顿效应,他们认为就平均而言,不足以在光量子水平下的能量守恒和动量守恒.当然放弃因果性观念也像放弃能量守恒和动量守恒一样,是难以接受的.后来,玻特(W W G.F B othe,1891~1957)和盖革(H.Geiger,1882~1947)发展了计数符合技术,测定了康普顿效应中次级光子和被打出的电子是否同时发生,发现其时间间隔小于10-3s(后来进一步的测定达到10-11s的量级).接着康普顿及其合作者的实验,也证明光电子和被打出电子的过程中能量守恒和动量守恒也是成立的.这样,新的实验不仅证明这些守恒定律仍然成立,而且光量子的概念也经受住严峻的考验.这样,爱因斯坦的光量子学说得到最终的证实,有趣的是,玻尔等人也愉快地接受了这一结果,并为他们的 建议举行了 光荣的葬礼.然而爱因斯坦并未因此而停止了他对波粒二象性的思考,甚至在他晚年还念念不忘这种思考,他还以总结的口吻说道: 整整五十年有意识的思考还没有使我更接近∃光量子是什么?%的答案.当然今天每一个不老实的人都认为知道答案了,但他是在欺骗他自己.[23]是的,从1905年到1951年,是经过了近50年的时间.1955年(在爱因斯坦逝世的那一年),正值他的母校&&&苏黎世联邦工业大学100年校庆.在爱因斯坦的纪念文章中又谈到量子力学的问题,他还是认为, 看来完全值得怀疑的是,一种场论是否能够解释物质的原子结构和辐射以及量子现象.大多数物理学家都是不假思索地用一个有把握的∃否%字来回答,因为他们相信,量子问题在原则上要用另一类方法来解决.这里的 物质的原子结构和辐射以及量子现象当然包括光量子的问题.看样子,50年的思索还是没有最后的结果.当年的 启发性观点是真的富有启发意义的,但爱因斯坦头脑中的真实图景是什么样子呢?这是否还需要我们去猜测呢?这是多么奇妙的事情啊!这正如美籍意大利物理学家塞格雷(E G Segre,1905~1989)的评论,这篇文章 是物理学最伟大的著作之一.那个时候,科学家已经知道光是由电磁波组成的;若说确切无疑,莫过于此了.然而,爱因斯坦却对它产生了怀疑,进而揭示了光的双重性质&&&波粒二象性.这一发现和与其相对应的物质的二重性,成了20世纪的最伟大的成就.[24]参考文献1 钱长炎.赫兹对光电效应的研究及其历史意义.自然杂志,2003,25(2):117~1222 罗平.赫兹对光电效应的发现及其影响.巢湖学院学报,2003,5(3):343 宋玉升.诺贝尔获得者演讲集物理学(第一卷),北京:科学出版社,1985.1104 [美]约翰∋施塔赫尔主编范岱年许良英译.爱因斯坦奇迹年&&&改变物理学面貌的五篇论文.上海:上海科技教育出版社,2001.14636首都师范大学学报(自然科学版)2005年。
光电效应及其在光电子学中的应用
光电效应及其在光电子学中的应用在20世纪初期，爱因斯坦提出了一个关于光的粒子性的观点，这就是光电效应。
简而言之，光电效应就是光子和物质之间的相互作用，也是光电子学的基础。
光电效应产生于物质被光照射时，物质中的电子吸收能量从而被激发，成为高能量的自由电子。
这些自由电子可以在物质中运动或逃脱，产生电流或电子图像。
实际上，光电放电的发现在20世纪初期（例如Jonas C. P. Selman）已经证明了这个过程。
光电效应是量子物理学的经典例子，同时也是大量光电传感器、电池、太阳能电池等光电子学产品的基础。
面向芯片计算机的光电效应传感器光电感应技术中的最大应用之一是光电传感器。
它们在自动控制和机器视觉应用程序中不可缺少。
通过光电效应，这种传感器能够检测和测量光线、颜色等各种物理量。
这种技术有助于让处理复杂视觉数据的计算机具有更大的功能和自主性，例如使自动驾驶汽车行驶得更安全。
另一个最近在光电子学中应用的技术是“基于光子的芯片计算机”。
与现有计算机相比，它们具有更快的数据传输速度，更小的尺寸和能力。
更高效的太阳能电池光电效应已经推动了太阳能电池的迅速发展。
虽然这种源头为低破碎的能源提供了替代方案，在透过云偏转的天气条件下也存在不利之处。
新的材料和技术正在被开发和改进，具有更高的效率和功率密度。
太阳能发电还可能通过通过元件间的精密控制设备，更快地调整太阳能发电对全球能源市场的重要作用。
纳米结构和光电效应纳米结构通常小于100纳米，与光子（光子的天然单位）具有相同的尺寸。
这种微小的大小使其显著地受到光电效应的影响。
因此，研究人员正在朝着创建以纳米结构为中心的更高效的光学器件方向努力。
例如，有研究人员使用纳米结构增强光电效应，使其在生物传感器和未来计算机芯片等未来应用中更为可行。
光电子学应用前景的未来从太阳能到芯片计算机，光电子学正在推动着技术的前沿。
随着纳米制造技术和人工智能的发展，它还将产生更多前景和应用。
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light are more re容ad易il地y understood if one assumes that the energy of light
A. Einstein, Ann. Phys. 17, 132
1905
Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light
A. Einstein Bern, 17 March 1905 (Received March 18, 1905)
mind, however, that the optical observations refer to time av平e均rages rather
than
瞬时
instantaneous
ห้องสมุดไป่ตู้
values.
In
spite
of
the
complete
e实xp验e的ri，m试en验t性al的confir确m认a-
Translation into English American Journal of Physics, v. 33, n. 5, May 1965
—— ♦ ——
A profound formal dis区ti别nction exists between the theoretical concepts which physicists have formed regarding gases and other po有n重d量er的able bodies and the Maxwellian theory of elect电ro磁m的agnetic processes in so–called empty space. While we consider the state of a body to be completely determined by the positions and vel速oc度ities of a very large, yet finite, number of atoms and electrons, we make use of co连nt续in的uous sp空a间ti的al functions to describe the electromagnetic state of a given volume, and a finite number of pa参ra量meters cannot be regarded as sufficient for the complete determination of such a state. According to the Maxwellian theory, energy is to be considered a continuous spatial function in the case of all purely electromagnetic phenomena including light, while the energy of a ponderable object should, according to the present conceptions of physicists, be r代ep表r，es表en示t为ed as a sum carried over the atoms and electrons. The energy of a ponderable body cannot be sub再d分ivided into arb随it意ra的r，ily反复m无an常y的or arbitrarily small parts, while the energy of a beam of light from a point source (according to the Maxwellian theory of light or, more generally, according to any wave theory) is continuously spread an ever increasing volume.
The wave theory of light, which o起p作er用ates with continuous spatial functions, has worked well in the representation of purely optical phenomena
1
and will probably never be replaced by another theory. It should be kept in
tion, fluore荧sc光ence, the production of ca阴th极ode rays by ult紫ra外v的iolet light, and
other related phenomena connected with the emission or transformation of
tinuous spatial functions may lead to con矛tr盾a，di反ct对ions with experience when
it is applied to the phenomena of em发is射sion and transf转o换rmation of light. It seems to me that the observations associated with bla黑ck体body rad辐i射a-
tion of the theory as applied to di衍ff射raction, reflection, refr折ac射tion, dispersi散on射,
etc., it is still con令ce人iv信a服bl的e ，th可a想t 象th的e theory of light which operates with con-