光电效应实验讲义

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1、光电效应法测定普朗克常数一、实验及应用背景介绍光电效应是指必然频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的 现象。1887年物理学家赫兹用实验验证电磁波的存在时发觉了这一现象，可是 这一实验现象无法用那时人们所熟知的电磁波理论加以说明。1905年，爱因斯坦斗胆地把普朗克在进行黑体辐射研究进程中提出的辐射能 量不持续观点应用于光辐射，提出“光量子”概念，从而成功地说明了光电效应 现象。1916年密立根通过光电效应付普朗克常数的精准测量，证明了爱因斯坦 方程的正确性，并精准地测出了普朗克常数。爱因斯坦与密立根都因光电效应等 方面的杰出奉献，别离于1921年和1923年取得了诺贝尔奖。光电效应实

2、验关于熟悉光的本质及初期量子理论的进展，具有里程碑式的意 义。随着科学技术的进展，光电效应已普遍用于工农业生产、国防和许多科技领 域。利用光电效应制成的光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管等，已成为 生产和科研中不可缺少的器件。二、实验目的和教学要求1、定性分析光电效应规律，通过光电效应实验进一步明白得光的量子性；2、学习验证爱因斯坦光电方程的实验方式，并测定普朗克常数h；3、进一步练习利用线性回归和作图法处置实验数据。三、实验原理光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极K上，产生的光 电子在电场的作用下向阳极A迁移组成光电流，改变外加电压Uak，测量出光电 流I的大小，即可得出

3、光电管的伏安特性曲线。光电效应的大体实验事实如下:(1) 对应于某一频率，光电效应的I-UAK关系如图2所示。从图中可见，对必 然的频率，有一电压U0,当UakMU。时，电流为零，那个相关于阴极的负值的阳极 电压U0，被称为截止电压。(2) 当UakMU。后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射 光的强度P成正比。(3) 关于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。(4) 截止电压U0与频率v的关系如图4所示，U0与v成正比。当入射光频 率低于某极限值v0 (v0随不同金属而异)时，不论光的强度如何，照射时刻多 长，都没有光电流产生。(5) 光电效应是瞬时效应。即便入射光

4、的强度超级微弱，只要频率大于v0， 在开始照射后当即有光电子产生，所通过的时刻最多为10-9秒的数量级。依照爱因斯坦的光量子理论，光能并非像电磁波理论所想象的那样，散布在 波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然维持着频率(或 波长)的概念，频率为v的光子具有能量E = hv，h为普朗克常数。当光子照 射到金属表面上时，一次被金属中的电子全数吸收，而无需积存能量的时刻。电 子把这能量的一部份用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变成电子离开金 属表面后的动能，依照能量守恒原理，爱因斯坦提出了闻名的光电效应方程：71 c hv = - mu 02 + A(1)式中，A为金属的逸出

5、功，-mu 02为光电子取得的初始动能。由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，因此即 便阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于 截止电压，光电流才为零，现在有关系：(2)1eU = mu 2 02 o阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的 搜集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到必然程度，已把阴极发射的光 电子几乎全搜集到阳极，再增加UAK时I再也不转变，光电流显现饱和，饱和光 电流IM的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量hv0A时，电子不能离开金属，因此没有光电流产生。产生光电 效应的最低频率(截止频率)

6、是v0二A/h。将(2)式代入(1 )式可得：eU0 = hvA(3)此式说明截止电压U0是频率v的线性函数，直线斜率k = h/e，只要用实 验方式得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h。爱因斯坦的光量子理论成功地说明了光电效应规律。四、实验仪器介绍光电效应实验仪ZKY-GD-4由光电检测装置和实验仪主机两部份组成。光电 检测装置包括：光电管暗盒，高压汞灯灯箱，高压汞灯电源和实验基准平台。实 验主机为GD-4型光电效应（普朗克常数）实验仪，该实验仪是由微电流放大器 和扫描电压源发生器两部份组成的整体仪器。仪器结构如图5所示。1234561汞灯电源2汞灯3滤色片4光阑

7、5光电管6基座图5 仪器结构图实验仪有手动和自动两种工作模式，具有数据自动搜集，存储，实时显示搜 集数据，动态显示搜集曲线（连接一般示波器，可同时显示5个存储区中存储的 曲线），及搜集完成后查询数据的功能。五、实验内容和操作提示（1）测试前预备：将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上），预热20分钟。 调整光电管与汞灯距离为约40cm并维持不变。用专用连接线将光电管暗箱电压 输入端与实验仪电压输出端（后面板上）连接起来（红一红，蓝一蓝）。务必反 复检查，切勿连错！（本实验已连接好，请不要更改）将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。调零时应将光电 管暗盒电流输出端K与实

8、验仪微电流输入端（后面板上）断开，且必需断开连线 的实验仪一端。旋转“调零”旋钮使电流指示为。调剂好后，用高频匹配电缆 将电流输入连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。假设要动态显示搜集曲线，需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y” 输入端，“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源” 开关拨至“外”，“Y衰减”旋钮拨至约“1V/格”，“扫描时刻”旋钮拨至约“20 s/ 格”。现在示波器将用连番扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线，横轴代表 电压Uak，纵轴代表电流I。注意：实验进程中，仪器暂不利历时，均须将汞灯和光电暗箱用遮光盖盖 上，使光电暗箱处于

9、完全闭光状态。切忌汞灯直接照射光电管。（2）测普朗克常数h：测量截止电压时，“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为截止电压测试 状态，“电流量程”开关应处于10-13 A档。 手动测量使“手动/自动”模式键处于手动模式。将直径4mm的光阑及的滤色片装在 光电管暗盒光输入口上，打开汞灯遮光盖。现在电压表显示UAK的值，单位为伏； 电流表显示与UAK对应的电流值I，单位为所选择的“电流量程”。用电压调剂键 T、J、个、，可调剂UAK的值，T、J键用于选择调剂位，个、；键用于调 剂值的大小。从低到高调剂电压（绝对值减小），观看电流值的转变，寻觅电流为零时对 应的uak，以其绝对值作为该波长对应的U

10、0的值，并将数据记于表1中。为尽快 找到U0的值，调剂时应从高位到低位，先确信高位的值，再按序往低位调剂。依次换上nm，nm， nm的滤色片，重复以上测量步骤。注意：一、先安装光阑及滤光片后打开汞灯遮光盖；二、改换滤光片时需盖上汞灯遮光盖。 自动测量按“手动/自动”模式键切换到自动模式。现在电流表左侧的指示灯闪烁， 表示系统处于自动测量扫描范围设置状态，用电压调剂键可设置扫描起始和终止 电压。（注：显示区左侧设置起始电压，右边设置终止电压）对各条谱线，建议扫描范围大致设置为:波长365nm405nm436nm546nm577nm电压范围实验仪设有5个数据存储区，每一个存储区可存储500组数据，

11、由指示灯表 示其状态。灯亮表示该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区，灯闪烁表示系统 预选的或正在存储数据的存储区。设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的存储区按键，仪器将先清除存储 区原有数据，等待约30秒，然后按4mV的步长自动扫描，并显示、存储相应的 电压、电流值。扫描完成后，仪器自动进入数据查询状态，现在查询指示灯亮， 显示区显示扫描起始电压和相应的电流值。用电压调剂键改变电压值，就可查阅 到在测试进程中，扫描电压为当前显示值时相应的电流值。读取电流为零时对应 的UAK，以其绝对值作为该波长对应的U0的值，并将数据记于表1中。表1 U0 v关系光阑孔二 mm波长入i(nm)频率 vi(X

12、10i4 Hz)截止电压U0i(V)手动自动按“查询”键，查询指示灯灭，系统答复到扫描范围设置状态，可进行下一 次测量。将仪器与示波器连接，可观看到uak为负值时各谱线在选定的扫描范围 内的伏安特性曲线。注意：在自动测量进程中或测量完成后，按“手动/自动”键，系统答复得手 动测量模式，模式转换前工作的存储区内的数据将被清除。(3)测光电管的伏安特性曲线：将“伏安特性测试/截止电压测试”状态键切换至伏安特性测试状态。“电 流量程”开关应拨至10-10 A档，并从头调零。将直径4mm的光阑及所选谱线的 滤色片装在光电管暗盒光输入口上。测伏安特性曲线选用“手动”模式，测量的 最大范围为050V，每隔

13、5V记录一组数据。本实验要求做、两个内容。 将仪器设置为手动模式，测量3条谱线在同一光阑、同一距离下伏安饱和 特性曲线，记录数据同表2形式。 将仪器设置为手动模式，测量某条谱线在二、4光阑(即不同光通量)、 同一距离下的伏安饱和特性曲，记录数据同表2形式。由此可验证光电管饱和光电流与入射光成正比。表2 IUAK关系UAK (V)I(X10-10A)UAK (V)I(X10-10A)选做内容：当UAK为50V时，将仪器设置为手动模式，测量并记录对同一谱 线、同一光阑时，光电管与入射光在不同距离，如300mm、400mm等对应的电流 值于表3中，一样验证光电管的饱和电流与入射光强成正比。入射距离L

14、表 3 IMP 关系UAK = _ V = _ nm二 mmI (XI。六、数据处置要求1、将不同频率下的截止电压U0刻画在座标纸上，即作出U0-v曲线，从而 验证爱因斯坦方程。2、用作图法求出U0 -v直线的斜率k，利用h = ek求出普朗克常数，并算出所测值与公认值之间的相对误差。3 = 1.602 x 10-19C)3、利用线性回归法计算普朗克常数h，将结果与作图法求出结果进行比较。4、利用表2中的数据，作出对应于不同频率及光强的伏安特性曲线。七、试探及课堂讨论题 经典的光波动理论在哪些方面不能说明光电效应的实验结果？ 光电效应有哪些规律，爱因斯坦方程的物理意义是什么？ 光电流与光通量有直线关系的前提是什么？把握光电特性有什么意义？ 光电管的阴极上均匀涂有逸出功小的光敏材料，而阳极选用逸出功大的金属制造，什么缘故？ 定性说明I- UAK特性曲线和U0 -v曲线及其截距的意义。 光电流是不是随光源的强度转变而转变？截止电压是不是因光强不同而 转变？ 测量普朗克常量实验中有哪些误差来源？如何减小这些误差？