普朗克常数 普朗克常量测定U—v图
在20世纪初，光电效应现象让科学家们倍感困惑。光电效应指的是某些材料在受到光照时，会发电子。按照经典波动理论的预测，电子的能量会随着光强度的增强而增加，但与光的频率并无直接关联。实验结果却揭示了不同的特性：
- 阈值频率的存在意味着，当光的频率低于某一特定值时，无论光强度如何，都无法激发电子。
- 光强主要影响的是发射电子的数量，而并不会对电子的动能产生影响。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦借助马克斯·普朗克的量子辐射理论，为光电效应提供了新的解释。他提出光是由能量为E=hν的离散能量包——光子组成，其中ν代表光的频率，h为普朗克常数。当光子与电子发生碰撞时，它会将能量传递给电子。电子动能的计算公式为K.E.=hν−ϕ，其中ϕ代表材料的逸出功。
爱因斯坦的理论打破了传统物理学的框架，引入了光的量子特性。尽管这一理论在当时备受争议，但密立根科学家决定通过实验来验证爱因斯坦的方程。
实验设计与实施
为了深入研究光电效应在可控条件下的表现，密立根设计了一个高度可控的真空管实验装置，管内含有光敏表面（通常由碱金属如钠或锂制成）。实验的主要组成部分包括：
- 单色光源：用于以不同频率照射光敏材料。
- 可调节的截止电压：通过外加电压控制电子的到达收集电极，并测量截止电压V₀。
密立根对每一种光的频率ν记录了对应的截止电压V₀。根据爱因斯坦的方程，他能够通过测量结果推导出普朗克常数h和逸出功ϕ。
误差控制与精确测量
密立根在实验中采取了细致的措施来减少误差。他精心打磨光敏表面、控制真空环境，并努力消除如二次电子发射、杂散电场等干扰因素。
令人瞩目的是，密立根的实验结果完全符合爱因斯坦的方程。他观察到截止电压V₀与光的频率ν之间呈现出线。通过测量斜率，他精确地计算出了普朗克常数h的值，这一数值与通过黑体辐射实验得出的理论值相吻合。
密立根还确认了逸出功ϕ是材料的固有属性，与光的频率无关。这一发现进一步证实了爱因斯坦理论的正确性。
科学贡献与历史意义
密立根的实验首次通过直接测量验证了爱因斯坦的光电效应方程，为量子理论提供了强有力的支持。这一实验成为物理学史上的一个重要转折点，揭示了光既具有粒子性也具有波动性，为量子力学的发展奠定了基础。
密立根的工作对普朗克常数的精确测量产生了深远影响。普朗克常数是物理学中的基本常数，出现在量子力学、光谱学和原子物理学的重要公式中。他因在基本电荷测量（油滴实验）和光电效应研究中的贡献于1923年荣获物理学奖。
尽管密立根最初对爱因斯坦的光量子假设持怀疑态度，他的实验结果却无可辩驳地支持了爱因斯坦的理论。这表明科学的追求应超越个人偏见，以实验和事实为依据。
密立根的论文《普朗克常数的直接光电测定》是现代物理学的杰出成果之一。他的精确实验不仅验证了爱因斯坦的光电效应理论，还为量子力学和现代物理学的发展做出了重要贡献。
