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Array|是两个光子变成一个正负电子对还是光电效应？

是两个光子变成一个正负电子对还是光电效应？
文/袁玉刚 图/源于互联网
1887年 ， 德国物理学家赫兹发现：用紫外线照射两个锌质小球之一 ， 在两个小球之间就非常容易跳过电花 。证实某些金属物质内部的电子会被激发出来而形成电流 ， 即光电效应 。光电效应是自然界中一个重要而神奇的现象 。
1900年 ， 马克思·普朗克把此现象解释为光具有包裹式能量 ， 指出光能的强弱是由其频率决定的 。即
【Array|是两个光子变成一个正负电子对还是光电效应？】E=hν
式中 ， E就是光所具有的“包裹式”能量 ， h是一个常数 ， 统称普朗克常数 ， ν就是光源的频率 。
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图1 光电效应
1905年 ， 爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中 ， 用光量子理论对光电效应进行了全面的解释 。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 。前一种现象发生在物体表面 ， 又称外光电效应；后两种现象发生在物体内部 ， 称为内光电效应 。
光电效应公式为：
hν=(1/2)mv∧2+Φ
式中 ， m是被发射电子的静止质量 ， v是被发射电子的初速度 ， Φ是功函数 。只有光子的能量hν大于功函数Φ ， 才会有电子射出 。
根据爱因斯坦光量子理论 ， 光电效应中光电子的能量取决于照射光的频率 ， 而与照射光的强度无关 。入射光波长小于某一临界值即极限波长（对应的光的频率叫做极限频率）时 ， 某些金属材料就能垂直于金属表面向外发射电子 。这一点无法用光的波动性解释 。只要光的频率高于金属的极限频率 ， 光的亮度无论强弱 ， 光电效应几乎都是瞬时的 。这也与光的波动性相矛盾 。入射光的强度只影响光电流的强弱 。
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图2 爱因斯坦
1916年 ， 美国科学家密立根通过精密的定量实验验证了爱因斯坦方程是精确成立的 ， 从而证明了光量子理论 。并首次对普朗克常数h作了直接的光电测量 ， 精确度大约是0.5% 。
1921年 ， 爱因斯坦由于用光量子理论对光电效应进行了全面的解释获得诺贝尔物理学奖 。1923年 ， 密立根“因测量基本电荷和研究光电效应”获得诺贝尔物理学奖 。
光电效应被广泛应用到科研仪器和工业上 。
只要光的频率高于金属的极限频率 ， 某些金属材料就能垂直于金属表面向外发射电子 。伽马光子照射在金属上 ， 一定发射电子 。
1934年 ， 科学家布雷特和惠勒提出：如果让两个光子通过撞击结合在一起 ， 有可能变成物质 ， 形成电子和正电子 。但是 ， 纯光变正负电子对从未在实验室里被观察到过 。科学家们又提出：光子必须用高能的伽玛光子；并且 ， 高能伽马光子必须离其它大质量或大电量的物体足够近 ， 才能产生正负电子对 。
天文学家们观察到：当γ光子能量足够高（大于1.02MeV）并且从原子核旁边经过时 ， 辐射光子可能转化成一个正电子和一个负电子 ， 即电子对效应 。
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图3 电子对效应
1951年 ， 施温格从理论上描述了在静态均匀电场中的正负电子对的产生过程 ， 并给出了正负电子对的产生率 。
1986年 ， Cowan在重离子碰撞实验中观测到了正负电子束 。1997年 ， Burke等利用1018W/cm2的激光束与斯坦福直线加速器(SLAC)产生的46.6 GeV 电子束对撞 ， 产生了正负电子对(nν0+ν→e?+e+) 。


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