【原】光电效应的规律

当我们征服一个又一个高峰后，可以看到在我们面前充满了趣味和美丽，但我们没有看到目标，没有看到地平线。因为远处还有更高的山峰，登上去，我们将有更开阔的视野。科学的每一个进步都使我们更加感叹“上帝的工作何等伟大！” 

——汤姆逊，电子的发现者

19世纪60年代是科学发展史中一个重要的年代。在那几年，麦克斯韦总结和发展了此前电学和磁学领域里的工作，提出了一组关于电场和磁场的数学方程。在这组方程中，电场、磁场、电荷和电流相互纠缠在一起，描写了复杂的电磁现象。通过求解这组数学方程可以预言，电场和磁场相互交错以电磁波的形式传播，并且还能预言光也是一种电磁波。

在麦克斯韦建立经典电磁理论的年代，由于受到技术的限制，人们找不到产生和检测电磁波的有效方法，因此，这个理论的预言一直没能得到检验。直到20年之后，赫兹找到了一种产生电磁波的简单的方法，才使得检验这个理论成为可能。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell，1831~1879)，英国物理学家，经典电动力学的创立者。他建立的经典电磁理论将电学、磁学和光学统一起来，实现了自然科学的第二次大综合。		海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz，1857~1894)，德国物理学家，于1888年首先证实了电磁波的存在。由于这个重大的贡献，频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。

作为检验电磁波实验的副产品，赫兹发现，如果用紫外线照射金属电极，电极的表面就会发射电荷。这就是所谓的光电效应。发现光电效应之后，物理学家对这个现象做了大量的实验研究，但是，对其背后的产生机理却一无所知。1896年，汤姆逊在研究气体放电现象和阴极射线的过程中发现了电子，这让人们意识到，光电效应其实就是金属表面附近的电子在受到紫外线的照射时逃离金属表面的现象。

约瑟夫·约翰·汤姆逊(Thomson，Joseph John，1856~1940)，英国物理学家，电子的发现者。因在气体放电的理论和实验研究方面的杰出贡献，被授予1906年度的诺贝尔物理学奖。

通过深入的研究，物理学家发现，光电效应有几个重要的特点：

1.对某种金属材料，存在一个临界频率，如果入射光的频率比这个临界频率低，那么，不管光的强度有多强，都观测不到有电子逃离金属表面；

2.每一个逃离金属表面的电子的能量只与入射光的频率有关，入射光的强度只影响到单位时间内从单位面积的表面上逃离的电子的数目；

3.如果入射光的频率高于临界频率，那么，无论光强有多微弱，在光照的同时立刻就有电子逃离金属的表面。

光电效应的这几个特性，从原则上讲无法用麦克斯韦的经典电磁理论来解释。

根据经典电磁理论，原子中的电子是否能够以及需要等待多长时间才能够逃离金属的表面，与入射光的频率没有任何关系，只与入射光的强度有关。当一束寻常强度的光照射到一块宏观大小的金属的表面上时，由于金属表面附近分布的原子的数目非常巨大，因此，不管这束光的强度有多强，平均分配到每个原子上去的能量是很少的。由于这个原因，当光照射到金属的表面上时，原子中的电子就必须等待足够长的时间，才能攒到足够的能量挣脱正电荷的束缚而逃离金属的表面。根据经典电磁理论的计算，如果用强度较弱的光照射金属的表面，需要等待几秒钟才会有电子逃出来。

利用经典电磁理论所做的以上分析和判断与实验事实完全矛盾。由此看来，经典电磁理论从原则上无法解释光电效应的基本特性。