师：同学们好，非常高兴有机会跟大家一起学习高中物理选修3 - 5第17章第2节《科学的转折：光的粒子性》。通过上一节内容的学习，我们已经了解到，在解释黑体辐射规律时，普朗克提出了能量量子化的观点，这标志着物理学新纪元的开始。通过本节课的学习，我们将进一步认识到普朗克的量子论，对人们关于光的本性的认识起到了巨大的推动作用。
早在17世纪70年代，以牛顿为代表的一批科学家提出光是微粒，这一观点可以解释光的直射和反射现象。而同一时期，以惠更斯为代表的另一部分科学家则认为光本质上是一种波。并且在后续的实验中，陆续发现了光的干涉、衍射、偏振等光所特有的现象，波动说占据了上风。但是光在本质上到底是一种什么样的波，科学家们还不是很清楚。
100多年以后，英国科学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，而且经过理论计算发现，电磁波的传播速度与当时测得的光速非常接近，于是他认为光本质上是一种电磁波。他的这一预言在十几年后，被德国物理学家赫兹通过实验证实了。下面我们就来了解一下赫兹的实验。
在图片的左侧是电磁波发射装置，右侧是一根铜环，制成了一个电磁波接收装置，铜环的缺口处安装了两个小铜球。按照麦克斯韦的理论，当电磁波发射装置发出电磁波时，电磁波接收装置将在小球间产生闪光。而实验的结果证实了麦克斯韦的预言是正确的，即光确实是一种电磁波。
就在这个实验中，赫兹有了新的发现，他发现当有紫外光照射到间隙时，明显地使放电增强了。他紧接着发表了一篇论文《论紫外线对放电的影响》。这篇论文一经发布，立刻引起了科学家们的关注，其中也包括赫兹的学生勒纳德。勒纳德经过一段时间的研究，于1902年总结了这一现象的三条重要规律，而这些规律如果用传统的电磁理论去解释，将遇到极大的挑战。下面我们就先来了解一下具体有什么样的现象。
大家看下面这张图片，左侧验电器上固定一个锌板，右侧是紫外线光源，可以用遮光板遮住紫外线。如果把遮光板拿掉，紫外线就会照到锌板上。下面通过实验来了解一下。给锌板带上负电，我们知道毛皮摩擦过的橡胶棒带负电。普通光照射时，验电器的指针偏转角度没有变化。现在我们把遮光板拿掉，请同学们注意观察指针的变化情况。我们发现，验电器指针张开的角度变小了，直至闭合。这是什么原因造成的呢？同学们是怎样想的？我想可能有两种原因：一是有正电荷跑到了锌板上，把负电荷中和了，很明显光并没有带来正电荷；那另外一种可能，就是锌板上的负电荷在紫外线的照射下从金属表面溢出去了。是不是这样的呢？我们再做进一步的实验，请同学们注意看，我们在验电器上把锌板换成铜网，给铜网带上正电，验电器的指针张开了一定的角度。接下来用紫外线照射铜网，看是不是有变化，发现没有任何改变。现在我们把锌板放在铜网的后面，会不会有变化呢？注意观察，我们发现当把锌板放在铜网后面以后，验电器的指针张开角度逐渐变小，直至闭合。这是什么原因造成的呢？我们刚才已经猜想是紫外线照射使锌板有电子溢出，那现在是不是可以验证这个现象了呢？应该是这样的，因为当有紫外线照射到锌板上时，锌板上的电子溢出跑到了铜网上，与铜网上的正电荷发生了中和，使验电器张开的角度逐渐变小，我们的猜想是正确的。
我们把在光的照射下，电子从物体表面溢出的现象叫做光电效应，溢出的电子称为光电子，光电子定向移动形成的电流我们称之为光电流。接下来我们就通过这样一个电路，来继续研究在光电效应中溢出的光电子的情况，与入射光的强弱、频率之间的关系。
在真空管内有两个电极，A和K，K极在一定的光照条件下能够溢出光电子。如果A极接电源的正极，K极接电源的负极，这个时候在A、K之间就会有从A指向K的一个静电场，使电子加速，这个时候A、K之间的电压我们称之为正向电压。如果我们把电源的正负极调转，那这时电压将使A、K之间产生向左的静电场，使电子减速。
我们可以通过改变滑动变阻器滑片的位置，来改变A、K极板间的电压，电压值通过电压表显示，光电流的大小可以通过电流表显示。实验过程当中，我们通过建立一个I - U图线，来观察电流随电压变化的规律。我们用光照射K板，K板有光电子溢出的情况下，不断地增大正向电压，发现一个规律，随着电压的增大，光电流越来越大。但是当电压超过某一值以后，不管怎样增大电压，光电流都不再增大，这个电流我们称之为饱和电流。如果换用其他的光源去照射K板，也有同样的规律。也就是说在光电效应实验当中存在饱和电流。当我们改变光照强度，又发现新的规律，光越强，饱和电流越大；光越弱，饱和电流越小，也就是说这个饱和电流的大小取决于光的强度。
如果我们在A、K板之间加上反向电压，注意看把电源的正负极调转，A、K极板就出现了反向电压，使溢出的光电子减速。随着反向电压的不断增大，我们发现光电流逐渐减小，直至为零。这个时候的电压我们称之为遏止电压。有遏止电压说明光电子在从K极溢出以后，在电场力使它减速的过程中，有一部分电子无法到达A极。而且随着电压的不断增大，到达A极的光电子数在逐渐减小，当电压增大到遏止电压时，所有的光电子都到达不了A极了，这个时候光电流自然就为零了。
与遏止电压对应的光电子，它具有的动能我们称之为最大初动能。最大初动能与遏止电压之间满足这样一个关系。实验还表明，这个遏止电压只与入射光的频率有关，与强度无关，或者说这个最大初动能只与入射光的频率有关。实验过程当中我们还发现存在截止频率，只有入射光的频率高于某个频率，才能发生光电效应现象。如果入射光的频率低于这个截止频率，就不会发生光电效应现象，这个截止频率我们也叫极限频率，不同的金属它的截止频率是不同的，大家注意看这张表格。
另外我们发现，有光照射到阴极K上时，几乎是同时就产生了光电流，说明光电效应具有瞬时性的特点。精确的研究表明，产生光电流的时间不超过10??次方秒，与入射光的强弱无关。这是我们在光电效应实验当中发现的规律，那这些规律如何去解释它呢？我们需要先引入一个概念叫逸出功。
我们知道电子从金属表面溢出的过程当中会受到一些阻碍，这一点我们通过化学的学习已经有所了解。内层电子和外层电子的位置不同，它们溢出时受到的阻碍作用也会不同。在溢出的过程当中它们要克服阻碍做功，我们就把使电子脱离某种金属所做功的最小值叫做逸出功，用W?来表示。这也表明不同金属的逸出功是不同的，或者说金属都有自己独特的逸出功。
经典的电磁理论能不能解释刚才我们通过实验得到的那些规律呢？我们来看一看。刚才我们得到的规律，主要有这样四条。按照波动理论，光越强就会有更多的电子从金属表面溢出，饱和电流当然也就越大。在这一点上，波动理论能够很好地解释这条规律。但同时按照波动理论，光越强，电子获得的能量越多，光电子克服束缚作用从表面溢出以后，剩余的能量也就是初动能应该越大。所以，遏止电压U?应该与光的强弱有关，而不是只与入射光的频率有关。所以这一条它是无法解释的，存在矛盾。