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实验证明：通过偏振片后光量子的能量发生变化
---偏振光的光电效应
梁建中
（北京外企服务集团 北京100005）
E-mail:John_Liang@

摘 要：在近代物理学中，光电效应在证实光的量子性方面有着重要的地位。1887年赫兹首先在实验中发现了光电效应现象,1905年爱因斯坦在普朗克量子假说的基础提出了光量子理论来解释光电效应，十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数。本文将从偏振光的光电效应继续探讨光的本性。

关键词：光量子，亚光量子，光矢量，偏振光，光电效应，

一． 偏振光的光电效应实验

实验装置是由ZKYGD-4智能光电效应实验仪和一个偏振片两部分组成如图1所示，实验的目的是测量加入偏振片前后反向截止电压的大小。
1.汞灯电源 2.汞灯 3.虑色片 4.偏振片 5.暗箱 6.光电管 7.实验仪
图1 实验仪器结构图
图2 测试仪面板图
光电检测装置包括：汞灯电源，汞灯，虑色片（波长365.0nm），偏振片，光电管及暗箱。

实验主机为GD-4型智能普朗克常数实验仪，电流测量范围分别为10-8~10-13A，分辨率为1´10-14A，三位半数显表指示，扫描电压源分别提供0~－2V及－1~＋50V两档扫描电压。

将365nm的滤色片装到暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖，调节电压调节键，寻找电流为零时对应的U0值，将加入偏振前后测得的截止电压值记录于下面的表格中。
表一、

无偏振片
加偏振片
波长l(nm)
365.0
365.0
频率n(´1014Hz)
8.214
8.214
截止电压U0(V)
-1.86
-1.38

按照现代物理对光量子的定义：一个能量为h v的光量子只有一个固定方向的光矢量，其所带能量是不能被再分开的。当一个光量子遇到偏振片时，要么这个光量子带着能量h v一次通过偏振片，要么被完全阻止其同过偏振片，那些通过偏振片的光量子的能量依然是hv，按照这个逻辑，实验所测得的偏振光的反向截止电压因该不会发生变化，所以上述的实验结果用爱因斯坦的光量子理论是解释不了的。

二． 新光量子模型的建立

光源中的原子发光是此起彼伏，瞬息万变的。这个原子发光后“熄灭”了，那个原子开始发光又“熄灭”了，另一个原子又发光…因此光源是在随机的一段一段地发射光波，每段光波叫一个波列，它不是无限长的连续波。每个波列发射的持续时间是很短暂的，不同的原子发射不同频率的波列，持续时间也具有不同的值，约为10e-9 秒数量级。

在光电效应实验中我们发现，从光照开始到光电子从金属中被释放出来，整个过程所需的时间也是在10e-9秒数量级。如果将原子发射一个波列的持续时间和光电效应中光电子被释放出来所需的持续时间联系在一起，我们可以假定：一个电子在10e-9秒的时间内获得了一个光量子的能量，而一个光量子的能量正是由原子在10e-9秒的时间内发射出的一个波列。

近代光学实验证明单个光量子也能够发生自我干涉，而干涉的条件必须要有两个相干光源。基于这一事实我们进一步假定：一个光量子（波列）不是连续的，它是由一列等间隔的，离散的且更为基本的能量粒子所构成的粒子流，我们称这种能量粒子为亚光量子。每个亚光量子在其运动方向的垂直平面内有且只有一个光矢量，其方向都较前一个发射出的亚光量子存在一个滞后，当第n个发射出的亚光量子的光矢量方向与第1个发射出的亚光量子的光矢量方向相同时，光量子完成了一次周期变化。根据上面的假定我们可以这样定义光量子的波长，周期和频率：在一个光量子中，光矢量方向相同的两个相邻亚光量子间的距离为光量子的波长，矢量方向变化一周所需的时间为光量子的周期，其倒数为光量子的频率。

三．公式的推导
已知一个光源的波长λ,频率v和发射一个光量子（波列）的持续时间t，我们可以计算出：
1.一个光量子（波列）的长度等于光速c乘以发射一个光量子的持续时间t，
2.一个光量子（波列）所含波长的数目等于一个光量子（波列）的长度ct除以波长λ，
设: 一个波长λ内有n个亚光量子，每个亚光量子的能量为h（单位是“焦耳”）。
则：一个光量子的能量e等于一个光量子（波列）所含波的数目ct/λ乘以一个波长内的亚光量子数n再乘以单个亚光量子的能量h，
即：e = hnct/λ （1）
因为c/λ = v，代入（1）
所以e = nthv （2）
公式（2）表明：一个光量子的能量e等于单个亚光量子的能量h乘以一个光量子中所含的亚光量子数ntv。（注：式中v的量纲与t的量纲相消)
假设一个光量子波长内的亚光子数n与发射一个光量子的持续时间的倒数1/t相等即nt = 1
我们就得到了所熟悉的公式：e =h v (3)
（注：式中v是个无量纲的数值)
显然公式(3)是公式（2）在nt=1条件下的特例。

四. 结论
偏振光的光电效应实验利用偏振片对不同偏振态的亚光量子允许其通过的数量不同这一特性，使得一个光量子中的部分亚光量子通过偏振片。这样通过偏振片后的一个光量子中的亚光量子数减少了，所以光量子的能量也随之变小了。结论是：光量子的能量与光的频率没有必然的联系，光量子的能量与亚光量子数的多少成正比。

参考文献
[1] 大学物理学（美）F.W.SEARS等著。人民教育出版社1980年2月 第1版。
[2] 大学物理学 杨仲耆 等编。人民教育出版社 1981年5月 第1版。
[3] 科学中的革命 （美）科恩 著。商务印书馆 1999年 北京。
[4] 物理学导论 敬仕超 著。科学出版社 2005 北京
[5] 大学物理实验 柴成钢等 著。科学出版社 2004 北京
[6] 量子物理史话 曹天元 著。辽宁教育出版社2006年。

注：偏振光的光电效应实验是在中国民航大学物理实验室完成的，在此我谨向王秋芬老师，王娟老师在实验中给予的帮助表示衷心的感谢。

A photon can be divided by polarizer - polarized light photoelectric effect
Liang Jian Zhong（FESCO Beijing 100005）
E-mail:John_Liang@

Abstract: The photoelectric effect is one of the crucial landmarks in the development of modern physics. The photoelectric effect was first observed by Hertz in 1887, Based on Planck’s work, Einstein introduced the idea of the photon to explain the photoelectric effect in 1905, Millikan conducted experiments that verified Einstein’s all-important photoelectric equation and made the first direct photoelectric determination of Planck’s constant. The article here is trying to discover the nature of light by experiment of polarized light photoelectric effect.

Key words: Photon, Sub-photon, Electric field vector, Polarized light, Photoelectric effect.
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