驗電器驗證光電效應實驗二種新方法

趙宇辰

光照射到金屬上，引起物質的電性質發生變化。這類光變致電的現象被人們統稱為光電效應（Photoelectric effect）。光電效應分為光電子發射、光電導效應和阻擋層光電效應，又稱光生伏特效應。

在選修3-5課本中我們學習了用驗電器驗證光電效應的實驗，但學生和老師進行具體實驗操作時往往看不到實驗現象。實驗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電荷的影響。當光電子離開鋅板后，在鋅板表面附近的空氣中形成負電荷區域。而負電荷產生的電場如果足夠大，則將阻止光電子逸出鋅板。這種阻礙光電子逸出的作用會隨光電子數目的增加而變強，在極短的時間內就會處于動態平衡狀態，宏觀上就抑制了光電子逸出鋅板。這樣，鋅板與負電荷區域就會維持約有數伏特的電勢差。其次是所用的指針式驗電器的靈敏度較低。需要一定量的電荷才能使張角張開，在實驗中，則體現為需要一定的電勢差。經測試證實，中學物理實驗室常用的指針式驗電器的啟動電壓在兩千伏以上，啟動電壓和驗電器的大小和材料有關，與空氣的溫度、濕度也有關系。所以，用波長在0.2μm左右的紫外線照射，其光子能量也只有6eV左右，不可能使鋅板與驗電器外殼之間產生2000V以上的電勢差，鋅板雖帶正電荷而驗電器指針不會張開。有些實驗中介紹如果用X射線照射鋅板，驗電器指針會張開，有明顯實驗效果。根據愛因斯坦的光電效應方程是有道理的，但實際上這只是驗電器感應圈的高壓引起驗電器感應起電的假象，試驗中接通感應圈電源，再進行去掉X射線管與用X射線照射的對照試驗，對比其效果就可以證實。這是因為X射線產生的光電效應受空氣分子、空氣中的負離子的影響，依然不能產生千伏以上的電勢差來啟動驗電器。所以，啟動驗電器需要清除鋅板周圍的負電荷或者給驗電器加上一定的啟動電壓。

針對上述原因，采用以下兩種簡便易行的新方法，經演示驗證，獲得了非常好的演示效果。現介紹如下。

方法一：清除鋅板周圍的負電荷。

把一個裝在絕緣支架上的銅絲網放在芯板前面。先給銅網帶上正電荷來吸走鋅板周圍的負電荷，清除或大大減弱負電荷的影響，如圖1（a）所示。由于銅網所帶正電荷會使驗電器受到靜電感應，需要適當調整驗電器與銅網間的距離使驗電器指針處于即將張開的臨界狀態。這樣，只要有紫外線照射鋅版，驗電器的箔片就立即張開。這種方法在空氣干燥時很容易成功，但缺點是重復演示時，需給銅網補充正電荷并重新調整它與驗電器間的距離，并且實驗結束后也需補充講解銅網裝置的作用。

方法二：給驗電器接啟動電壓（電勢差）。

在銅絲網與驗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，驗電器會保持要開啟的狀態，另一種使驗電器處于開啟狀態的方法是適當加大驗電器與銅網間的距離。這樣紫外線只要一照射到鋅板，驗電器就會立刻張開。并且即使空氣潮濕這種方法也可成功實行。