验电器验证光电效应实验二种新方法

赵宇辰

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被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。

在选修3-5课本中我们学习了用验电器验证光电效应的实验，但学生和老师进行具体实验操作时往往看不到实验现象。实验演示不能成功有很多原因，其一是锌板表面灰层或氧化层的影响，而最重要的是锌板表面附近的负电荷的影响。当光电子离开锌板后，在锌板表面附近的空气中形成负电荷区域。而负电荷产生的电场如果足够大，则将阻止光电子逸出锌板。这种阻碍光电子逸出的作用会随光电子数目的增加而变强，在极短的时间内就会处于动态平衡状态，宏观上就抑制了光电子逸出锌板。这样，锌板与负电荷区域就会维持约有数伏特的电势差。其次是所用的指针式验电器的灵敏度较低。需要一定量的电荷才能使张角张开，在实验中，则体现为需要一定的电势差。经测试证实，中学物理实验室常用的指针式验电器的启动电压在两千伏以上，启动电压和验电器的大小和材料有关，与空气的温度、湿度也有关系。所以，用波长在0.2μm左右的紫外线照射，其光子能量也只有6eV左右，不可能使锌板与验电器外壳之间产生2000V以上的电势差，锌板虽带正电荷而验电器指针不会张开。有些实验中介绍如果用X射线照射锌板，验电器指针会张开，有明显实验效果。根据爱因斯坦的光电效应方程是有道理的，但实际上这只是验电器感应圈的高压引起验电器感应起电的假象，试验中接通感应圈电源，再进行去掉X射线管与用X射线照射的对照试验，对比其效果就可以证实。这是因为X射线产生的光电效应受空气分子、空气中的负离子的影响，依然不能产生千伏以上的电势差来启动验电器。所以，启动验电器需要清除锌板周围的负电荷或者给验电器加上一定的启动电压。

针对上述原因，采用以下两种简便易行的新方法，经演示验证，获得了非常好的演示效果。现介绍如下。

方法一：清除锌板周围的负电荷。

把一个装在绝缘支架上的铜丝网放在芯板前面。先给铜网带上正电荷来吸走锌板周围的负电荷，清除或大大减弱负电荷的影响，如图1（a）所示。由于铜网所带正电荷会使验电器受到静电感应，需要适当调整验电器与铜网间的距离使验电器指针处于即将张开的临界状态。这样，只要有紫外线照射锌版，验电器的箔片就立即张开。这种方法在空气干燥时很容易成功，但缺点是重复演示时，需给铜网补充正电荷并重新调整它与验电器间的距离，并且实验结束后也需补充讲解铜网装置的作用。

方法二：给验电器接启动电压（电势差）。

在铜丝网与验电器外壳之间加接上直流高压电源，如图1（ b）所示，把电压大小控制到2000V～4000V，验电器会保持要开启的状态，另一种使验电器处于开启状态的方法是适当加大验电器与铜网间的距离。这样紫外线只要一照射到锌板，验电器就会立刻张开。并且即使空氣潮湿这种方法也可成功实行。