五、光量子理论的实验验证

密立根实验

正当理论物理学家拒绝承认光量子假说的时候，实验物理学家尽管对爱因斯坦这种十分大胆地想法抱有怀疑态度，但自从爱因斯坦的论文问世的 1905 年起，就有人开始用实验来验证这一假说了．特别是在美国，好几所大学的实验室都在进行这一工作．其中有典型代表性的是芝加哥大学的实验物理学家密立根所进行的实验．

密立根起初认为爱因斯坦的假设不仅“大胆得不可思议”，而且是“粗枝大叶的”．他之所以要研究光电效应，其目的就是要否定爱因斯坦关于能量为 hv 的光量子假说．密立根精心设计了一套消除金属表面氧化膜的

极为复杂的装置，他想借此提高实验的精确度．并采取了一系列措施，尽可能消除一些以前其他实验物理学家无法处理的误差．这个实验的操作技术也是十分复杂的．密立根实验的示意图如下所示：当一定频率的单色光照射到金属板 B 时，引出电子逸出．A 极相对于 B 极有任意的电压-V，它有抑制电子向 A 极运动的作用．AB 间的光电子电流可以测量．如果承认爱因斯坦光电方程正确，则当 eV＞Ek 时，没有一个电子能达到 A 极，当eV＜Ek 时，AB 间有电流出现，如果 v0 是电

流恰为零时的电势（截止电势）则有eV = hν − w，V = h ν − w 说

0 0 e e

明截止电势 V0 与照射光的频率有关，若改变入射光的频率ν，则截止电势 V0 对频率ν的图线将是一条直线．如图，由这条直线的斜率可以求出

常数 e ，由直线与ν 0 轴的截距可以求出与材料有关的常数

w ，密立

根算出的 h=6.56×10−27 尔格·秒，和普朗克算出的 h=6.55×10−27 尔格·秒很相近，图象中的直线方程可写作

1 mν² = h（ν − ν ）

2 m 0

或 hν 1 2 ν 1 2 ＋w

= 2 mvm + h 0 = 2 mv m

至此，不管密立根开始对爱因斯坦假说如何怀疑，但实验结果却无情地否定了他的怀疑．这样，爱因斯坦的光量子假说和光电方程在提出的十年后被密立根的实验完全证实了．

康普顿效应

1922 年—1923 年间，美国物理学家康普顿（1892—1962）在实验中发现：散射 X 射线中有和入射 X 射线波长λ0 相同的射线，也有波长λ＞ λ0 的射线，这表明除了波长不变的散射外，同时还有波长变大的散射，即康普顿效应．实验结果还表明，在原子量小的物质中，康普顿散射较强；在原子量大的物质中，康普顿散射较弱．波长的改变λ－λ0 随散射角ϕ 而异；当散射角增加时，波长的改变也随之增加；在同一散射角下，对于所有散射物质，波长的改变λ－λ0 都相同．而经典电磁理论只能解释波长不变的散射，而不能解释康普顿效应．

1923 年，康普顿用爱因斯坦的光量子理论完满地解释了他的实验结果（康普顿效应）：根据爱因斯坦的光量子理论，设光子具有的能量为hν，动量为 hν/c，这里 h 是普朗克常数，ν为光的频率，c 为真空中的光速．那

么按照光子和自由电子的弹性碰撞理论（弹性碰撞遵从动量守恒定律和动能守恒定律），康普顿效应就能够在理论上得到和实验相符合的解释．这就再一次证明了爱因斯坦理论的正确性．

爱因斯坦光量子理论的意义，不仅在于对光电效应和康普顿效应作了正确解释，而且使关于光的本性的探讨前进了一步，为波粒二象性的提出作了准备．1921 年爱因斯坦由于“在理论方面的贡献和发现了光电效应定律“而荣获 1921 年的诺贝尔物理学奖．密立根由于他在“基本电荷和

光电效应”方面的研究成果，而获得 1923 年的诺贝尔物理学奖．康普顿

因发现康普顿效应并用爱因斯坦光量子理论给予完满解释而荣获 1927 年

诺贝尔物理学奖．