光电效应的发现与证实 日期:2026-02-22

169年前的今天,1857222日,德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹出生在德国汉堡市的犹太家庭。提起海因里希·鲁道夫·赫兹,学过初中物理的人应该都知道频率的国际单位制单位就是赫兹,以他的姓氏命名的。他到底做了什么可以让频率的单位以他的姓氏来命名呢?让我们一起追随他短暂而闪耀的一生,回顾他在光学领域做出的杰出贡献。


海因里希·鲁道夫·赫兹

赫兹小时候就展露出了对科学研究的兴趣。赫兹的父亲是一位律师和市参议员,同时还是一位语言学家。他的家族里还有对商业、自然科学等感兴趣的家庭成员。在这样的家庭环境熏陶下,赫兹表现出了非凡的智力、超强的动手能力。他会做木匠活,能熟练地操作车床,在绘画、雕刻上也表现出一定的天赋,这些为他今后的科学研究奠定了坚实基础。

中学时期,赫兹对工程研究有着浓厚的兴趣,他曾在自己家里搭建起了一个小小的实验室,在里面做过一些简单的力学和光学实验。1876年,赫兹离开家乡进入德累斯顿工学院学习。此后又相继转入慕尼黑工学院、慕尼黑大学学习。在这期间,赫兹的兴趣由工程转向物理,1878年他进入柏林大学学习,师从亥姆霍兹和基尔霍夫。有名师指导加上自己的刻苦努力,在校期间,赫兹完成了证明韦伯的电惯性的课题,获得学会的奖励,开始崭露头角。

1880年,获得博士学位的赫兹毕业后留校,在导师亥姆霍兹的研究所里当助手。1883年,到基尔大学担任物理学讲师。1885年复活节,赫兹受聘为卡尔斯鲁厄大学的物理学教授。在这里,赫兹完成了使他闻名于世的关于电磁波的实验工作。1889年,赫兹被任命为波恩大学的物理学教授,并接替克劳修斯担任物理研究所所长。

光是一种电磁波的观点并非赫兹首先提出的。理论物理学家麦克斯韦早已经从理论上预言了这一观点,但是一直没有通过实验进行具体的验证,当时很多大物理学家对此表示怀疑:真的存在电磁波吗?光也是一种电磁波?要使麦克斯韦的理论被物理学家们接受,还需要实验进行证明。

1879年夏天,柏林科学院公布了一个悬赏课题:用实验确立电磁力和绝缘体中的电介质极化之间的关系。赫兹通过一系列实验证明了电磁波的存在,测出了电磁波的波长、速度、测到了电磁波的折射、偏振、衍射、干涉等。这些实验证实了电磁波和光波的同一性。1888年1月,在《论动电效应的传播速度》一文中对这些实验成果进行了总结和公布。同年,德国物理学家霍尔瓦克斯用另外的实验验证了赫兹的结论,验证了赫兹在光电效应方面的研究成果。

赫兹发现光电效应后,大批科学家投身相关研究,取得了斐然成果。人们发现光电效应的发生有极限频率,有瞬时性。赫兹的助手勒纳德发现逸出电子的最大初速度与光强没有任何关系。1921年,爱因斯坦由于理论物理方面的贡献和关于光电效应的研究工作获得诺贝尔物理学奖。如果没有赫兹发现光电效应现象,这些成果将无从取得。


赫兹实验室

在应用领域,利用光电效应原理制成的光电元件已经广泛应用在生产生活、科学研究的各个领域。数码照相机、巡航导弹目标定位用到的光电探测器、钢铁冶金、能源电力、食品卫生用到的光电流光谱技术、农业虫害的防治的光电诱导杀虫灯……这些工具的产生给我们的生产生活带来了极大便利,这一切都要得益于赫兹所做的研究贡献。

天妒英才。1894年1月1日,年仅36岁的赫兹因为牙疾引起血液中毒而不幸离世。他的一生虽然短暂却闪耀着耀眼的光芒,他用实验证实电磁波存在,验证麦克斯韦电磁理论。测定电磁波传播速度等于光速,发现其反射、折射等特性,发现光电效应现象。1931年,普朗克高度赞扬了赫兹的贡献:使麦克斯韦的推测成为事实,开始了一个实验物理学和理论物理学的新世纪。爱因斯坦也毫不吝啬地赞赏赫兹:伟大的革命永远与法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字相联系。从赫兹短暂又闪耀的一生中我们不仅看到了他在物理学领域做出的划时代贡献,更被他那种为科学实验着迷的态度以及对理论研究严谨细致的科学作风深深感染,这种宝贵的科学精神是激励我们从事科学研究的动力和榜样。