二、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；当光的频率大于这个频率时，不管光多么弱，都会立刻发射光电子，不存在时间滞后。当光的频率小于这个频率时，不会逸出光电子；

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。

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。Einstein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Einstein的观念中，一束频率为υ的光便是一束单个粒子能量为hυ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， hυ =mv²/2+ E， 这个方程被称为Einstein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。式中E为金属逸出功或功函数。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。不同金属的逸出功不相同，红限频率也不相同。金属中的电子如果不能从获得等于或大于E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。

光量子hυ是原子中的电子从高能级向低能级跃迁时辐射的能量。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（见图1）。

图1

Einstein的光子假设和Einstein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Einstein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Einstein方程偏离的奇异光电发射。1968年Teich和Wolga用GaAs激光器发射的h υ=1.48eV的光子照射逸出功=2.3eV的钠时，发现光电流与光强的平方成正比。按Einstein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Einstein方程？为什么非激光光源不会产生多光子光电发射？钠原子的价电子吸收了GaAs激光器发射的h υ=1.48eV的光子，齐步到达一个亚稳的激发态，再吸收第二批光子，越过逸出势垒，发生光电流。从而光电流不是与光强成正比，而是与光强的平方成正比。对于，吸收n光子的光电发射过程的光电流应与光强的n次方成正比。如果不用激光，而用普通白光，由于是宽频光，各个价电子吸收了，是杂乱地进入激发态，这些杂乱步调的电子相互影响、干扰，从而谁也无法越过逸出势垒，不能发生光电流。是光子的能量扣除越过逸出势垒所需的能量（相当于势能）后，余下的就成了光电子的动能了。不是光频转化为电子速度！

Einstein多次强调：“物理学的目前局面可以概括如下：有一些现象可以用量子论来解释，但不能用波动说来解释，光电效应就是这样一个例子，此外还有已被发现的其它的例子。又有一些现象只能用波动说来解释而不能用量子论来解释，典型的例子是光遇到障碍物会弯曲的现象。还有一些现象，既可用量子论又可用波动说来解释，例如光的直线传播。 到底光是什么东西呢？是波呢，还是光子“雨”呢？我们以前也曾经提出过类似的问题：光到底是波还是一阵微粒？那时是抛弃光的微粒说而接受波动说的，因为波动说已经可以解释一切现象了。但是现在的问题远比以前复杂。单独的应用这两种理论的任一种，似乎已不能对光的现象作出完全而彻底的解释了，有时得用这一种理论，有时得用另一种理论，又有时要两种理论同时并用。我们已经面临了一种新的困难。现在有两种相互矛盾的实在的图景，两者中的任何一个不能圆满地解释所有的光的现象，但是联合起来就可以了！怎样才能够把这两种图景统一起来。我们又怎样理解光的这两个完全不同的方面呢？要克服这个新的困难是不容易的。我们再一次碰到一个根本性问题。我们以前问过，光是什么？它是一阵波还是一阵粒子？现在我们又要问，电子是什么？它们是一阵粒子还是一阵波？电子在外电场或外磁场中运动时的行为像粒子，但在穿过晶体而衍射时的行为又像波。对于物质，我们又遇到了在讨论光子时所遇到的同一困难。”