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Sandbox Physics
量子物理:读懂证据

诺奖 A · 证据与操控

光电效应:电压还不是电子的能量

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一组电流—电压曲线,怎样成了对 Einstein 定律的检验?

测的是电流,端点要靠推断

仪器不会直接显示每个电子的动能,截止电势要从电流消失的位置附近推出来。光照在发射表面上,对面的电极收集电子。减速电压逐渐升高,光电流随之减弱;换不同频率的光再扫一遍,就得到一组曲线。

暗电流、收集极自己发射的电子、光的谱宽、电子初始能量的分布,都会让端点变模糊。最大发射能量是一种量,平均能量是另一种,收集到的电子数又是一种。要检验定律,得先说清图上每个点代表哪一种。

证据阅读:R. A. Millikan (1916), A Direct Photoelectric Determination of Planck’s h, Phys. Rev. 7, 355–388 — original scan

直线究竟检验什么

下式是理想情况下一个光子从表面打出一个电子的能量平衡。截止电势指减速电压的大小,取正值,并已计入接触电场。基本电荷取正,频率是入射光的频率,功函数是电子离开这一表面所需的最小能量。这个关系只在阈值频率以上成立。

频率扫描检验两件事:数据点是否落在直线上,斜率是否等于普朗克常数除以基本电荷。换一种稳定的表面,截距会变,这个普适斜率不变。只看到非零的光电流,或者只在很窄的频率范围里画出一条直线,能说明的就少得多。

eVstop=Kmax⁡=hν−ΦeV_{\mathrm{stop}}=K_{\max}=h\nu-\Phi

证据阅读:R. A. Millikan (1916), A Direct Photoelectric Determination of Planck’s h, Phys. Rev. 7, 355–388 — original scan

两种金属之间藏着一个额外电压

电压表的读数不能直接代入理想公式。发射极和收集极的表面通常不同,两者之间的接触电势会改变电子实际遇到的减速能量。修正项取正还是取负,还要看电路电压怎么定义。

Millikan 花了大量篇幅讨论怎样制备碱金属表面,以及怎样测量或稳定接触电动势。他报告说,接触电势会随表面老化和吸附气体而变。恒定的偏置主要移动截距;如果漂移和换频率的先后顺序有关,斜率也可能被带偏。

证据阅读:R. A. Millikan (1916), A Direct Photoelectric Determination of Planck’s h, Phys. Rev. 7, 355–388 — original scanCaltechAUTHORS, Millikan’s 1916 photoelectric paper — institutional record

光强和频率改变的是不同的东西

弱光下光子一个一个地起作用。频率和表面固定时,加大光强主要是让每秒发射的电子变多;提高频率,改变的则是电子的最大能量。只有先控制好收集效率和饱和,测得的电流才能看作与光强成正比。

这条规则并非对一切光源和材料都成立。加热、空间电荷、表面变化和多光子发射,都可能改变比较的结果。它们推翻不了在声明条件下完成的检验,但也说明入门课里的光强规则不能无限外推。

证据阅读:R. A. Millikan (1916), A Direct Photoelectric Determination of Planck’s h, Phys. Rev. 7, 355–388 — original scan

Millikan 接受定律,却不接受背后的图像

Millikan 在引言里把两件事分开:Einstein 的能量关系很成功,他本人却怀疑光是局域的微粒。这篇论文的价值正在这里:作者接受定量结果,同时质疑为它提出的物理图像。证据出现时,大家对它的含义并没有共识。

Einstein 1921 年的奖项强调光电效应定律;Millikan 1923 年的奖项同时表彰基本电荷和光电研究。截止电压的斜率只给出两个常数之比。要从中求出普朗克常数,还需要一个独立确定的电荷尺度,油滴测量就在这里派上用场。

证据阅读:R. A. Millikan (1916), A Direct Photoelectric Determination of Planck’s h, Phys. Rev. 7, 355–388 — original scanNobel Prize in Physics 1921 — official award recordRobert A. Millikan — official 1923 award facts

用 Lab 比较能量

光电发射 Lab 有两台分开的仪器:半球分析器,和带保护电极的径向减速收集器。收集器在几种频率和光强下,分别保存快门打开和关闭时的模拟计数,再拟合出中心端点及其随频率变化的斜率。没有独立参考时,接触电势和功函数分不开。这些数据是为教学模拟的,不是 Millikan 的测量,也不是他当年的接触修正。

一个好练习是问:如果电压有一个未知的恒定偏置,图上哪些结论还站得住?斜率也许还在,推出的阈值就未必了。再问:偏置若在切换频率时漂移,又会怎样?这样想,数学预言就和检验它的测量连在了一起。

证据阅读:R. A. Millikan (1916), A Direct Photoelectric Determination of Planck’s h, Phys. Rev. 7, 355–388 — original scan

来源与阅读说明

APS 提供 Millikan 1916 年论文的扫描件,可以直接读;Caltech 的馆藏条目可用来查证出处。本文沿用原文的区分:测得的光电势、接触电势,以及由它们推出的发射能量。文中没有把历史曲线数字化,也没有重新拟合。

  1. R. A. Millikan (1916), A Direct Photoelectric Determination of Planck’s h, Phys. Rev. 7, 355–388 — original scan
  2. CaltechAUTHORS, Millikan’s 1916 photoelectric paper — institutional record
  3. Nobel Prize in Physics 1921 — official award record
  4. Robert A. Millikan — official 1923 award facts
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