驗(yàn)電器驗(yàn)證光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)二種新方法

趙宇辰

光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectric effect）。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和阻擋層光電效應(yīng)，又稱光生伏特效應(yīng)。

在選修3-5課本中我們學(xué)習(xí)了用驗(yàn)電器驗(yàn)證光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生和老師進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)操作時(shí)往往看不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)演示不能成功有很多原因，其一是鋅板表面灰層或氧化層的影響，而最重要的是鋅板表面附近的負(fù)電荷的影響。當(dāng)光電子離開(kāi)鋅板后，在鋅板表面附近的空氣中形成負(fù)電荷區(qū)域。而負(fù)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)如果足夠大，則將阻止光電子逸出鋅板。這種阻礙光電子逸出的作用會(huì)隨光電子數(shù)目的增加而變強(qiáng)，在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，宏觀上就抑制了光電子逸出鋅板。這樣，鋅板與負(fù)電荷區(qū)域就會(huì)維持約有數(shù)伏特的電勢(shì)差。其次是所用的指針式驗(yàn)電器的靈敏度較低。需要一定量的電荷才能使張角張開(kāi)，在實(shí)驗(yàn)中，則體現(xiàn)為需要一定的電勢(shì)差。經(jīng)測(cè)試證實(shí)，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室常用的指針式驗(yàn)電器的啟動(dòng)電壓在兩千伏以上，啟動(dòng)電壓和驗(yàn)電器的大小和材料有關(guān)，與空氣的溫度、濕度也有關(guān)系。所以，用波長(zhǎng)在0.2μm左右的紫外線照射，其光子能量也只有6eV左右，不可能使鋅板與驗(yàn)電器外殼之間產(chǎn)生2000V以上的電勢(shì)差，鋅板雖帶正電荷而驗(yàn)電器指針不會(huì)張開(kāi)。有些實(shí)驗(yàn)中介紹如果用X射線照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)張開(kāi)，有明顯實(shí)驗(yàn)效果。根據(jù)愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程是有道理的，但實(shí)際上這只是驗(yàn)電器感應(yīng)圈的高壓引起驗(yàn)電器感應(yīng)起電的假象，試驗(yàn)中接通感應(yīng)圈電源，再進(jìn)行去掉X射線管與用X射線照射的對(duì)照試驗(yàn)，對(duì)比其效果就可以證實(shí)。這是因?yàn)閄射線產(chǎn)生的光電效應(yīng)受空氣分子、空氣中的負(fù)離子的影響，依然不能產(chǎn)生千伏以上的電勢(shì)差來(lái)啟動(dòng)驗(yàn)電器。所以，啟動(dòng)驗(yàn)電器需要清除鋅板周圍的負(fù)電荷或者給驗(yàn)電器加上一定的啟動(dòng)電壓。

針對(duì)上述原因，采用以下兩種簡(jiǎn)便易行的新方法，經(jīng)演示驗(yàn)證，獲得了非常好的演示效果?，F(xiàn)介紹如下。

方法一：清除鋅板周圍的負(fù)電荷。

把一個(gè)裝在絕緣支架上的銅絲網(wǎng)放在芯板前面。先給銅網(wǎng)帶上正電荷來(lái)吸走鋅板周圍的負(fù)電荷，清除或大大減弱負(fù)電荷的影響，如圖1（a）所示。由于銅網(wǎng)所帶正電荷會(huì)使驗(yàn)電器受到靜電感應(yīng)，需要適當(dāng)調(diào)整驗(yàn)電器與銅網(wǎng)間的距離使驗(yàn)電器指針處于即將張開(kāi)的臨界狀態(tài)。這樣，只要有紫外線照射鋅版，驗(yàn)電器的箔片就立即張開(kāi)。這種方法在空氣干燥時(shí)很容易成功，但缺點(diǎn)是重復(fù)演示時(shí)，需給銅網(wǎng)補(bǔ)充正電荷并重新調(diào)整它與驗(yàn)電器間的距離，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)束后也需補(bǔ)充講解銅網(wǎng)裝置的作用。

方法二：給驗(yàn)電器接啟動(dòng)電壓（電勢(shì)差）。

在銅絲網(wǎng)與驗(yàn)電器外殼之間加接上直流高壓電源，如圖1（ b）所示，把電壓大小控制到2000V～4000V，驗(yàn)電器會(huì)保持要開(kāi)啟的狀態(tài)，另一種使驗(yàn)電器處于開(kāi)啟狀態(tài)的方法是適當(dāng)加大驗(yàn)電器與銅網(wǎng)間的距離。這樣紫外線只要一照射到鋅板，驗(yàn)電器就會(huì)立刻張開(kāi)。并且即使空氣潮濕這種方法也可成功實(shí)行。