光电效应的演示实验及其改进

光电效应的演示实验及其改进

高中物理课本在讲到光电效应时，首先介绍了这样一个实验：“把一块擦得很亮的锌板连接在灵敏验电器上，用弧光灯照锌板，验电器的指针就张开一个角度，表示带了电，进一步检查知道锌板带的是正电。这是因为它的电子在紫外线的照射下从表面飞了出来，锌板中缺少了电子，于是带正电”。

这个实验按课本所述的方法，一般不太容易做成功，苏州大学物理系陶洪老师分析其原因是：开始时，锌板上的电子在紫外线的照射下从表面飞出去，锌板就带上了正电，在周围的空间里就形成了一个电场，这个电场对电子的飞出有一个阻碍作用（即锌板上的正电荷对飞出电子的吸引作用）；随着飞出的电子增多，锌板上带正电荷增多（电位升高），周围的电场增强，对电子飞出的阻碍作用增大，直到电子飞出时的最大动能与电子在电场中的电势能相等时，电子就无法飞离锌板，锌板上的电荷就不会再增加，电位也就不再升高，于是就达到了平衡状态。这时，锌板的电位可以高到多少伏呢？对此，我们可以这样来推算：根据爱因斯坦光电效应方程（m＝hv－W＝hv－hv₀）及达到平衡状态时电子的最大初动能等于其静电势能（m＝eU），可知，锌板可达到的电位U＝；

由于　　h＝6．63×10^－34焦耳·秒，

　　　　　　v₀＝8．065×10¹⁴赫兹，

　　　　　　e＝1．60×10^－19库仑，

一般弧光灯发出的紫外线频率v的数量级可达10¹⁵赫兹，所以，U的数量级仅为10⁰伏，即至多达到几伏。而一般指针验电器对几伏的电位差是检验不出来的（即使对几十伏的电位差也不一定能检验出来），这就是课本所述的方法一般不易成功的道理^〔1〕。

不少书在介绍这个实验时，通常总是说先给锌板带负电，使验电器指针张开一个角度，然后，用弧光灯照射锌板，可看到验电器指针迅速合拢，由此再说明锌板上的电子在紫外线的照射下飞了出来，由前面的分析可见，这个方法之所以易于成功，是因为开始时锌板的电位为负，它对光电子不是起阻碍作用，而是起加速作用；随着光电子的飞出，锌板的电位升高，最后当锌板的电位达正的几伏时，光电子不再飞离锌板面，从而达到平衡状态，在这个过程中，锌板上电位的变化幅度较大，验电器指针的摆动就能清楚地显示出来了。

但是，这种方法常会使学生误解，只有带负电的金属板在光的照射下，电子从金属表面飞出才产生光电效应，或者学生会产生一些别的疑问。为了避免这些问题，又能把课本所述的实验做成功，陶洪老师利用平行板电容器在所带电量（基本）不变的情况下，两极板之间的电位差随电容器电容的减小而增大的原理，对课本所述的实验装置进行了改进。

改进后的装置如图所示。P₁（锌板）和P2（金属板）组成平行板电容器；两极板相对板面上分别贴上材料相同的塑料薄膜^〔2〕，两板靠紧。将金箔验电器的导棒和外壳分别与P₁板和P₂板（接地）连接。

演示时，先用砂纸把P1板向外的一面打光，然后，用弧光灯照射锌板P1，锌板就有光电子飞出，随之，锌板的电位升到几伏（达到平衡状态），这时，验电器箔片并不张开。但由于P₁、P₂组成的电容很大，所以P₁板上积聚的电荷较多。熄掉弧光灯，箔片仍不张开（P₁、P₂间的电位差仍只有几伏）。移走P₂板，即减小电容器的电容，这时，由于P₁板上的电量基本不变，所以，P₁板的电位（即P₁和P₂间的电位差）迅速升高，从而使得验电器导棒的电位（即导棒与外壳的电位差）迅速升高，验电器箔片就张开了一个明显的角度。

验电器箔片的张开说明了两极板之间有电位差，即P₁板上带有电荷，通过检验可知，它带的是正电。由此可说明锌板在弧光灯紫外线的照射下发生了光电效应现象。如果再把它与白炽灯代替弧光灯照射锌板面不发生上述现象加以比较，则能说明光电效应的发生与入射光频率有关的事实。

注：〔1〕如果用伦琴射线照射锌板，可使U的电位达到近百伏，甚至更高些（如果其它因素不考虑的话），这样，用较灵敏的指针验电就容易显示出来了。这就是课本脚注中说要用伦琴射线照射的道理。

〔2〕这里，如果不是在P₁、P₂两板上都贴塑料薄膜，譬如，仅在P₁上贴塑料薄膜，那么当两极板靠紧和分开时，塑料薄膜与P₂板在接触和分开的过程中，都会因“摩擦”而分别带上等量异种电荷。这些电荷也会因电容器电容的减小而在两极板间产生足以使验电器箔片张开到明显角度的电位差。这样一来，即使弧光灯不照（或用白炽灯照），移走P₂板后验电器箔片也能张开，于是，用箔片张开来说明光电效应的发生就没有理由了。如果在两极板上都贴上塑料薄膜，那么，同种材料相“摩擦”，相互间就可看做不会因“摩擦”而带电，也就不会产生上述现象了。