光电效应的实验

光电效应的实验

光电效应是光从金属表面击出电子的效应。它是最早发现的量子现象，即最早发现的据说是不能作出经典解释的现象，人们把被实验事实所否定的经典机制描述如下：

“当辐射击中在原子内振动着的电子时，就将能量转移给电子。如果电场的振动频率恰好是原子中电子的共振频率，电子就会从光波中吸收能量直至它被释放出来。”

提出这一机制以后，人们就不厌其烦地向读者们证明它怎样地与实验事实不符，却从来不屑于想一想：这一机制从经典物理学的角度来看是否合理？其实，只要稍微细心一点，就能发现这一机制是经典物理学所不允许的。

第一、实验证明：光只有照射金属才发生光电效应，金属的特点是有大量自由电子，可见光电效应是光与自由电子的相互作用。而自由电子不能有“强迫振动”，因为它没有强迫振动所需要的恢复力（阻止电子逸出金属表面的力是单向的，不是恢复力）。

第二、即使金属中有电子在光作用下强迫振动，其共振频率将是光的频率，因此其振幅将小于光的波长（否则电子的速度将超过光速）。如此频率极大而振幅极小的振动又怎能使电子脱离金属呢？

当然，根据力学原理，即使没有恢复力，电子在光波中也会振动，但这不是本来意义下的“强迫振动”，其振幅也小得不能为宏观仪器所察觉。从这一点出发，我们可得到光电效应的经典解释：

当电子在光波中达到电动平衡时，它将在光的电场作用下振动，在光的磁场作用下以交变的角速度运动，我们称这种运动为“光致运动”。这种运动使电子激发一个附加的驻波场，我们称它“光致波包”。此外，我们把电子的光致运动的平衡点的运动称为“整体运动”。一般地说，电子在光波中的这种整体运动是等速直线运动，于是电子在光波中有三种运动形式：内部运动、光致运动和整体运动。电子在真空中则没有光致运动，只有内部运动与整体运动。

当电子从真空进入光波时，将从真空中的电动平衡过渡到光波中的电动平衡，这是一个整体过程，我们称它为“入光过程”。在入光过程中，电子将产生光致运动，建立光致波包，为此，电子将从光波中吸收能量，即吸收一份光波。此外，电子的整体运动状态也将因此而改变，从一种等速直线运动状态过渡到另一等速直线运动状态。

电子在入光过程中所吸收的那一份光波，乃是原光波的一部分，从而是一份有限的单色光波波列，由于有限，单色只是近似的，这份光波就是一个爱因斯坦的“光量子”或“光子”。

这份光波作为从原光波中分离出来的一部分，可以用能量ε和动量p来描写它，即把它看作一个以光速运动的物体。另一方面，作为一个波列，又可用频率ν和波数σ来描写它，其中p＝

根据相对论容易证明，当参照系改变时，ε，p，ν，σ都将改变，但比值则保持不变。这样，普朗克——爱因斯坦关系ε＝hv，p＝hσ就不再显得像一个斯芬克司的哑谜了。但是这一关系式中的常量恰好是普朗克常量

则要求从理论上证明（这要求更细致的电子模型）。爱因斯坦和德布洛依心爱的波与粒子的神秘对称性，已经不再是什么“解释”了。

当光照射金属时，金属中的自由电子经历入光过程，吸入一个光子并从静止转入运动，并因此逸出金属表面，这就是光电效应。

这种经典机制可解释最初发现的实验事实：首先，入光过程极为短促，因此光电效应没有明显的“惯性”；其次，光越强，入光过程越短促，因此就有越多的电子在两次与金属的晶格点阵碰撞的自由程内完成入光过程，成为“光电子”，因此，光电子的数目取决于光的强度；最后，电子进入光波以后的光致运动，决定于光的频率而与光的强度无关。因此电子在入光过程中所吸收的光波的能量及电子所获得的动能也决定于光的频率而与光的强度无关。

诚然，爱因斯坦的“光子”对光电效应的解释似乎更简单而准确，但这一成功却以一系列的挫折为代价。

20世纪60年代，曼戴尔（Mandel）等人考察了两个独立激光之间的干涉。由于观测时间很长，使得“当下一个光子被两个光源中的任一个发射出来之前，上一个光子已被吸收”，却仍然获得干涉条纹影像，假若把其中的一支激光停掉，就什么干涉也没有。这似乎表明一个光束中的光子会同另一光束的“虚无”发生干涉。

早在1909年，泰罗（Taylor）就做过“单光子干涉”实验：先用强光拍下细针的衍射象，然后把光源衰减，相应地增加曝光时间。最后一次曝光长达3个月，相应的光弱到不可能有多于一个光子同时通过仪器。结果发现衍射图像与短时间的强光照相同。令人困惑的是：“一个光子怎么可以同时处在两束分光束中呢？”如果是双缝衍射，则问题成为：“一个入射光子怎么可以同时穿过两个狭缝呢？”

在“光子”学说遇到挫折的地方，我们的经典解释却照样通行无阻。首先，我们应考察光电效应的一个重要的性质：单个原子辐射出来的光子是有限的单色光波波列，在一般情况下，物质所辐射的光波并不是“光子流”，而是大量光子相互迭加而形成的连续波场。在光电效应中，电子所吸收的光子乃是这个连续波场中的一份，它一般不再是某一原子所辐射出来的一个光子。显然，刚好可以从金属表面击出一个电子的光波，必须多于一个光子。

我们可以用一个笨拙的比方来阐明上述结论：将光波比作一桶水，电子比作舀水的杯子，则原子辐射好比用杯子往桶里加水，虽然水是连续的，但在这一加水过程中桶里的水还是一杯一杯地增加。光电效应好比用同一种杯子从桶里舀水出来，一般地说，舀出的这一杯水不再是原来舀进的某一杯水。此外，当桶里刚好还可以舀出一杯水时，桶里一定不止一杯水。

只有光流的强度非常小时，诸光子才成为离散的，不再相互迭加，这样的光波才是名副其实的“光子流”，但这种光子流却已经不可能从金属表面击出光子。

人们常用光电检测器给光子计数，对于强光，这种仪器是足够准确的；但对于弱光，当它告诉说只有一个光子（只击出一个电子）时，那就肯定不止一个光子。

最初，曼戴尔的实验是用光电检测器给光子计数的，因此它关于“当下一个光子发射之前上一个光子已被吸收”的报告是不可信的。后来换用底片曝光，也有同样的问题。

至于单光子干涉实验，从我们的角度来看，光子本是一个单色光波波列，可以自己与自己相干涉。因此从实验的干涉机制来看没有困难，但从探测机制来看却存在同一问题：如果光源真是弱到发射“光子流”的程度，则照相底片将不再感光，因此我们估计，泰罗实验中的光源还是比他认为的要强一些。

这一切都还有待实验进一步检验。