33. 光电效应的应用

侯工

我们看旧式胶片电影的时候声音是通过什么媒介记录和播放的，又是怎么做到和画面同步的呢？

原来，在电影胶片上除了画面之外一边还有一条声带，上面有不同的密度（或光带不同面积），有点象乱涂乱画的样子。声带有变积式和变密式两种形式，效果是一样的。声带和画面部分一样，也是由感光材料涂布的。拍摄时声音经话筒转变为电信号再经放大器放大驱动光源使声带部分感光。由于声音信号强弱不均，输出的电信号也是强弱不均，光源发出的光线也是强弱不均的，声带感光后留下疏密不均（或光带不同面积）的形态。

放映时画面在前进，声带也在同步前进，另用光源照射声带。由于声带的疏密不均（或光带不同面积），透过的光线也是时强时弱的，照射到光电管后转换为变化频率和光线相同的电信号，经放大器放大，到扬声器得到声音。

这个光电管就是将光变成电流的装置。那么，光是如何转变成为电流的？

光转变成为电流的现象称为光电效应。

光电效应

光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象称为光电效应。

以前，人们错误地认为，按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的物质(如硒)上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加。如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。

如果这一假说是真的，那么任何频率的光线都可以产生光电效应，但是，并不是任何光线都可以产生光电效应的，实际上是具有（或大于）某个频率的光线才可以产生光电效应的。

这就说明，光电效应与“光子”无关，只与光的频率有关。说到频率，与之相关的有共振频率现象。

什么是共振？一个物理系统在必须特定频率下，相比其他频率以更大的振幅做振动的情形，称为共振。例如一列军队齐步经过一座桥梁时，由于共振可以将桥梁踩断。

原子及其外围的电子可以看成是一个物理系统，其电子的运动是一种波动，具有一定的频率。当它的频率与光的频率相同时，就会产生共振，使振幅不断增大。当振幅的能量大于原子核的束缚力时，电子就会逃离原子而成为自由电子，从而形成电流，这就是光电效应产生的机理。

为什么光的频率会与光电管里电子的频率相同呢？原来，光是电磁波，它的频率不是自身具有的，而是来自某个电子的振动频率，所以，归根结底，是光电管里电子的频率与某个电子的频率相同，光只不过起到联系两个电子的作用而已。

在光电效应里，光频率大于某一临界值时方能发射电子，即截止频率，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的频率，而与光强度无关。有人认为这一点无法用光的波动性解释，这是因为他们不懂共振——共振取决于光的频率而与光强度无关。

还有人对光电效应的瞬时性无法理解：按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累到足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。对此，他们错误地以为，光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这是因为他们不懂得，在微观世界里，十的负九次方秒已经是非常长的时间了，因为光的频率范围为4.2×10^14~7.8×10^14赫兹，表示在１秒时间内振动10^14次以上，那么在十的负14次方秒内就已经产生共振了。

根据普朗克方程，光的能量表示为：E=hv，h为普朗克常数，v为光的频率。由此可知，在光电效应里，发生作用的是光的频率，而不是“光子（或光量子）”，从而说明，光电效应不能证明光具有粒子性，只能说明光具有波动性。