2、量子物理早期实验与理论探索

量子物理早期实验与理论探索

1. 早期实验

1.1 光电效应实验

光电效应实验装置中，光阴极和阳极置于抽成真空的玻璃壳内。当光照射光阴极时，电子被射出，阳极电流通过电流表测量。阳极和光阴极间的电势差可变，可为正或负。若阳极电压(V_A)为负且足够大，能排斥电子，阻止其被收集和检测。

在固定光强(I)下，绘制(V_A)与(I_A)的关系图。从不同光强的假设数据可知，当(V_A)足够大时，阳极电流会饱和，但使电子折返的遏止电压(V_A = -V_S)与光强无关，这表明电子动能不由光强决定。不同频率的实验显示，(V_S)随光频率和光阴极材料变化。

爱因斯坦用光量子（光子）解释了这些数据。每个光子携带的能量遵循(E = h\nu)（(h)为普朗克常量，(\nu)为光频率），电子获得的动能(KE)取决于每个光子的能量，而非每秒落在光阴极上的光子数(I)。爱因斯坦给出了光子能量(h\nu)、电子动能(KE)和遏止电压(V_S)的关系：
[KE = h\nu - eV_S]
其中(e)为电子电荷量。该式可写成(KE = h\nu - W)，(W = eV_S)为功函数，不同光阴极材料的功函数不同，此式即爱因斯坦关系。这一解释表明光具有粒子特性，虽光的波动特性此前已被知晓，但用粒子解释光电效应具有革命性。

1.2 弗兰克 - 赫兹实验

弗兰克 - 赫兹实验为原子能级的量子化提供了早期证据。该实验装置包含阴极(C)、阳极(A)和位于两者之间的栅极(G)，整个装置置于抽成真空并充入特定原子（如汞原子）的玻璃壳内。阴极加热发射电子，电子被栅极电压(V_G)加速，通过栅极后被阳极收集，阳极电流(i_A)被测量。 </