密立根的光电效应实验

当然，爱因斯坦的光量子理论没有及时地得到人们的理解和支持，并不完全是由于勒纳德的触发假说占了压倒优势，因为不久这一假说被勒纳德自己的实验驳倒。爱因斯坦遭到冷遇的根本原因在于传统观念束缚了人们的思想，而他提出遏止电压与频率成正比的线性关系，并没有直接的实验依据。因为测量不同频率下纯粹由光辐射引起的微弱电流是一件十分困难的事。

直到 1916 年，才由美国物理学家密立根（Robert Millikan，1868

—1953）作出了全面的验证。他的实验非常出色，主要是排除了表面的接触电位差、氧化膜的影响，获得了比较好的单色光。他在自己的论文中写道①：

“实验样品固定在小轮上，小轮可以用电磁铁控制，所有操作都是借助于装在（真空管）外面的可动电磁铁来完成。随着操作的需要，真空管的结构越来越复杂，到后来可以说它简直成了一个真空的机械车间。所有的真空管都要进行这样几步操作：

（l）在真空中排除全部表面的全部氧化膜；

测量消除了氧化膜的表面上的光电流和光电位；
同时测量表面的接触电位差。”

图 7-5 是密立根自称为“真空机械车间”的实验装置图，主要的部件就是一支结构复杂的真空管。他选了三种逸出功较低的材料——Na、K、Li（均为碱金属）作为光阴极，做成圆柱形，装在小轮 W 上，用电磁铁操纵转动方位。剃刀 K 用另一电磁铁控制，一边旋转，一边对圆柱形电极表面进行切削，刮掉电极上极薄的一层表皮，让新刮出的新鲜表面处于真空中保持清洁。然后将光阴极转至对准电极 S 的位置，以测量其接触电位差；再转一个角度，对准窗口 O，接受光的照射，同时测其光电流。

■图 7-5 密立根光电效应实验装置图

图 7-6 和图 7-7 是密立根 1916 年发表的两张实验曲线。图 7-6 给出

6 种频率的单色光（对应于汞的 6 根谱线）照射下的光电流曲线，由此所得的遏止电压值与对应的频率作成图 7-7，这是一根很好的直线。从直线的斜率求出的普朗克常数 h=6.56×10-34 焦耳·秒，与普朗克 1900 年从黑体辐射求得的结果符合甚好。爱因斯坦对密立根光电效应实验作了高度评价，指出①：“我感激密立根关于光电效应的研究，它第一次判决

① R.A.Millikan,Phys.Rev.7(1916)p.355.

① A.Einstern,Science,73(1931)p.378

性地证明了在光的影响下电子从固体发射与光的振动周期有关，这一量子论的结果是辐射的粒子结构所特有的性质。”

■图 7-6 密立根发表的光电流曲线之一（曲线与横坐标的交点即为遏止电压）

■图 7-7 钠的遏止电压与频率成正比（从斜率可算出 h 值）

正是由于密立根全面地证实了爱因斯坦的光电方程，光量子理论才开始得到人们的承认。1921 年和 1923 年，他们两人分别获得了诺贝尔物理奖。

密立根的光电实验是从 1904 年开始的，到 1914 年发表初步成果，

历经十年，在 1923 年的领奖演说中，密立根公开承认自己曾长期抱怀疑态度，他说道①：

“经过十年之久的试验、改进和学习，有时甚至还遇到挫折，在这之后，我把一切努力从一开头就针对光电子发射能量的精密测量，测量它随温度、波长、材料（接触电动势）改变的函数关系。与我自己预料的相反，这项工作终于在 1914 年成了爱因斯坦方程在很小的实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常数 h。”

密立根并不讳言，他在做光电效应实验时，本来的目的是希望证明经典理论的正确性，甚至在他宣布证实了光电方程时，他还声称要肯定爱因斯坦的光量子理论还为时过早。

密立根对量子理论的保守态度有一定的代表性，说明量子理论在发展过程中遇到的阻力是何等的巨大！