光電效應系列之四——密立根的貢獻

密立根的貢獻

赫茲偶然發現了光電效應現象，勒納德非常完善地總結出了光電效應的種種規律，愛因斯坦用光子說進一步非常完美地解釋了這個現象，關於光電效應的這一切，似乎已經十分完美。但是，歷史的事實卻並不是這麼簡單的，尤其是愛因斯坦用光子說去解釋光電效應的時候，他所提出的這種光量子理論和以此為基礎得出來的光電效應方程，在一開始的時候並沒有得到廣泛的認可，很多的物理學家都在懷疑愛因斯坦，甚至於連首先提出能量量子化的那位普朗克先生都對愛因斯坦的說法持否定的態度。

證明愛因斯坦光量子理論和光電效應方程的實驗，自然不是愛因斯坦本人去完成的，完成這個實驗的是一位非常擅長做實驗的物理學家，他就是密立根先生。說起這位密立根先生，首先要提起的就是他最著名的的測量電子電荷量的油滴實驗。不過，在介紹密立根先生所做的實驗之前，還需要交代一點東西，不然大家看起來是要犯糊塗的。

首先，先來再談談愛因斯坦的光電效應方程。在上面，我們可以看到光電效應方程裡面包含了三個部分：光量子能量、光電子初動能和光電子的逸出功。這裡面，光量子能量直接與光的頻率有關，而光電子初動能，則需要用另外一個物理量來反映一下。假設，光電子以初動能離開了金屬表面的時候，如果一切順利，它會直接到達對面的接受極板上，使得構成的電路中出現電流，光照不停，電流不斷。

如果，此時在這個極板和發生光電效應的金屬上加上一個電壓，使得光電子一出來就在電場力作用下做減速運動，如果所加的電壓合適，讓光電子即將到達接受極板的時候速度變成零，那麼這個過程中電場力做的功在數值上就等於光電子剛剛離開金屬表面的動能了。這樣的電壓，在光電效應研究中被稱為遏止電壓。從愛因斯坦的光電效應方程中不難看出，這個遏止電壓與入射光頻率之間應該是一種一一對應的線性關係。如果，能夠用實驗將這個線性關係做出來，愛因斯坦的理論就可以被順利證明了。

做實驗，是實驗物理學家們的喜好，無論是出於肯定還是否定愛因斯坦的目的，不少的實驗物理學家投入到了檢驗光電效應方程的實驗研究之中。因為一些技術上的問題，這個實驗研究的過程還是經歷了不少的曲折的。

1910年，實驗方面的驗證終於有了突破性的進展，這個突破性的進展就是由密立根先生來完成的，不過密立根先生真正完成這個實驗，卻是一直延續到了1916年的，這樣的一個漫長過程，也在一定程度上說明了實驗驗證的艱難和曲折。

首先，密立根先生克服了之前的那些實驗物理學家們在實驗過程中遇到了諸多技術問題，採取了更為有效的手段將那些問題帶來的影響給消除到了最小的地步。比如說，在以前的實驗中，電極的表面都很容易出現一層氧化膜，而這層氧化膜對於實驗的影響又是不可輕視的，為了解決這個問題，密立根在裝置裡巧妙了安置了一個可以隨時轉動的剃刀，當需要開始實驗的時候，就轉動這個剃刀刮掉電極上薄薄一層表皮，讓新刮出來的表面在真空中保持清潔。

其次，在具體實驗的時候，密立根先生是這樣做的，他選擇了6種不同波長（頻率自然也就不同了）的光，分別測量它們在不同電壓情況下光電流的大小，然後繪製出電壓和光電流之間的曲線圖像，從圖像中再獲得某一波長的光照射下被測金屬的遏止電壓。這樣，6種頻率對應六個不同的遏止電壓，再次以此為座標做出圖像來，正好是一條漂亮的直線。不僅如此，密立根還根據這根直線的斜率求出了普朗克常數的數值，這個結果與1900年普朗克自己從黑體輻射獲得結果非常吻合。

如此一來，密立根的實驗就非常完美地證明了愛因斯坦的光量子理論對光電效應的分析，光量子理論從此才算是被人們真正地承認。

作者：韋中燊 來自 物理學習研究