光电效应思考题
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1、光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电 。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。电光效应是将物质置于电场中时物质的光学性质发生变化的现象。某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。单光子光电效应：我们常说的光电效应为单光子光电效应，也就是每个电子同一时间只吸收一个光子。多光子光电效应：当单位体积内同时相互作用的能量子的数目大到使得发射光的能量子可以从几个入射能量子中取得能量。
2、普朗克常量的意义：普朗克常数是现代物理学中最重要的常数之一,它成为区分宏观客体和微观客体的界限。普朗克常数的发现,在物理学的发展史上具有划时代的意义,它第一次表明了辐射能量的不连续性,这是现代物理学中富有革命性的事件。由于它的发现,物理学进入了一个全新的时代,这个理论物理学的新概念导致了量子理论的建立。1905年爱因斯坦在解释光电效应时,将普朗克的辐射能量不连续的假设作了重大发展,提出光是由能量为hυ的光量子构成的粒子流。爱因斯坦和德拜用量子概念计算了固体中振动能量随频率的分布,由此解释了固体比热在低温下趋于零的特征。后来,科学家们证明了康普顿效应是一种量子效应,是普朗克常数h起重要作用的量子现象,在经典极限下,h趋于零,能谱由分立变连续,X射线被电子散射后波长不变,康普顿效应不存在。光的波粒二象性,是对光的本质的深刻认识,正是表达式ε=hυ和p=h/λ把标志波动性质的υ和λ同标志微粒性的E和p,通过普朗克常数h定量地联系起来了。在光的二象性的启发下,德布罗意提出了与光的二象性完全对称的设想,即实物粒子也具有波粒二象性的假设,粒子的能量与波的(角)频率、波矢量间满足德布罗意关系,1926年薛定谔建立了物质波的波动方程,算出了氢原子的量子化能量,与实验完全符合。 3、近代测量普朗克常量的几种方法
1.测定的交流约瑟夫森效应法：约瑟夫森(B.D.Josephson)于1962年提出，两块超导体构成弱耦合时将会出现电子隧道效应。如果在这两块超导体上加一直流电压，就会出现隧道电流，超流电子对能够无阻碍地通过绝缘层或桥，这就是所谓直流约瑟夫森效应；而交流约瑟夫森效应是指这一弱耦合的超导体，具有吸收或发射电磁波的特性，其电磁波的频率与电压U的关系为：，系数称为约瑟夫森常数，这很像一个电压频率转换器。经过弱耦合的超导体会形成约瑟夫森结。如果在超导结上照射频率为的微波辐射，则在结的两侧将形成的电压台阶，其中n取正整数。通过约瑟夫森结的频率-电压关系，可以精确测定约瑟夫森常数值，但由于中还包含有基本电荷值，尽管已达到以下的精度，但1973年基本物理常数平差得出的普朗克常量仍有的不确定度，其值为：
2.测定的量子霍尔效应法：冯·克利青(K.von Klitzing)于1980年从金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)发现量子霍尔效应，随后他用不同类型的硅MOSFET管在强磁场和深低温下测出霍尔电阻，它随栅压变化的曲线上出现一系列平台，与平台相应的霍尔电阻等于，其中i是正整数。把称为冯·克利青常数，，有了量子霍尔效应，普朗克常量和基本电荷的测定又一次登上新的台阶，由和，可得到和，所以，1986年在最新一轮的基本物理常数的平差中，普朗克常量的不确定度下降为，数值等于
但这一结果仍要受到计量标准不统一的影响，当测量值换算为SI制时，还应考虑转换因子的不确定度。
3.直接测定的通电动圈法：英国国家物理实验室(NPL)的基布尔(B.Kibble)等人使用的这种方法，被认为是在直接测定普朗克常量的方法中比较精确的一种，他们用动量装置定义电功率瓦特的SI单位，用交流约瑟夫森效应和量子霍尔效应测电动势和电阻，不经电压转换因子和电阻转换因子，直接求出了。实验时将通电矩形线圈悬于精密天平的一端，使动圈中部处在磁感应强度为B的均匀水平磁场中，通电流i后，由于安培力作用，需在天平上加质量为m的砝码，设动圈受力部分长度为l，有：，再令动圈以匀速v垂直下降，则感应出电动势，把上两式结合消去B、l，得：
在实际测量时，要注意（5-7）式两端的测量标准各不同，右端用SI制，而左端用英国国家实验室的电流、电压标准，分别以和表示，因此功率。其中表示功率的转换因子，它等于
用交流约瑟夫森效应和量子霍尔效应测的分别是电压和电阻，涉及电压转换因子和电阻转换因子，而，，，由于，
，，
所以
从（5-8）式求出代入（5-9）式就可以由约瑟夫森常数和冯·克利青常数直接计算出。基布尔等人在1990年报告的测量结果是：，不确定度为，这比1986年平差结果精确度提高了4倍。
4、光电效应历史光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。 1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的。当时，赫兹发现两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。大约1900年，马克思•普朗克（Max Planck）对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。他给这一理论归咎成一个等式，也就是 E=hf ，E就是光所具有的“包裹式”能量h是一个常数，统称布兰科（普朗克）常数（Planck's constant），而f就是光源的频率。也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。但就是布兰科（普朗克）自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 。1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论并导出公式Ek=hf-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而Ek就是电子自由后具有的动能。
