實(shí)驗(yàn)報(bào)告光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) .doc

1、南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 專業(yè)班級(jí)：材料124班實(shí)驗(yàn)時(shí)間：10時(shí)00分 第十一周 星期四 座位號(hào)：28一、 實(shí)驗(yàn)名稱： 光電效應(yīng)二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、通過實(shí)驗(yàn)深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律；2、掌握用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)研究的方法；3、學(xué)習(xí)對(duì)光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測(cè)定普朗克常數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)儀器： 光電效應(yīng)測(cè)試儀、汞燈及電源、濾色片、光闌、光電管、測(cè)試儀四、實(shí)驗(yàn)原理：1、 光電效應(yīng)與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時(shí)，會(huì)有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，愛因斯坦提出了“光量子

2、”的概念，認(rèn)為對(duì)于頻率為的光波，每個(gè)光子的能量為，其中 h=6.626為普朗克常數(shù)。按照愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時(shí)，光子把全部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對(duì)它的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動(dòng)能。愛因斯坦提出了著名的光電方程： （1） 式中，n為入射光的頻率，為電子的質(zhì)量，u為光電子逸出金屬表面的初速度，為被光線照射的金屬材料的逸出功，1/2mv2為從金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能。 由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會(huì)有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電

3、位低時(shí)也會(huì)有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時(shí)，所有光電子都不能到達(dá)陽極，光電流才為零。這個(gè)相對(duì)于陰極為負(fù)值的陽極電位被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。 顯然，有 eu0-1/2mv2=0 （2） 代入上式即有 （3）由上式可知，若光電子能量h+nW，則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率是n0=W/h，通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而n0也不同。由于光的強(qiáng)弱決定于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。又因?yàn)橐粋€(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，所以光電子獲得的能量與光強(qiáng)無關(guān)，只與光子的頻率n成正比，將（3）式改寫為 上式表明, 截止電壓是入射光頻率n的線性函數(shù)，如

4、圖2，當(dāng)入射光的頻率n=n0時(shí)，截止電壓，沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率k=h/e是一個(gè)正的常數(shù)： （5）由此可見，只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的U0-n曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過式（5）求出普朗克常數(shù)。其中是電子的電量。1. 光電效應(yīng)的伏安特性曲線圖3是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的原理圖。頻率為n、強(qiáng)度為的光線照射到光電管陰極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽極A之間加正向電壓，它使K、A之間建立起的電場(chǎng)對(duì)從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓的增加，到達(dá)陽極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向電壓增加到時(shí)，光電流達(dá)到最大，不再增加，此時(shí)即稱為飽和狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的光電流即稱為飽和光

5、電流。由于光電子從陰極表面逸出時(shí)具有一定的初速度，所以當(dāng)兩極間電位差為零時(shí)，仍有光電流I存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當(dāng)反向電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，光電流為零。 圖4 入射光頻率不同的IU曲線 圖5 入射光強(qiáng)度不同的IU曲線愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極，且陽極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。實(shí)際上做陰極的金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以實(shí)驗(yàn)中存在著如下問題：暗電流和本底電流。當(dāng)光電管陰極沒有受到光線照射時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電子流，稱為暗電流。它是由電子的熱運(yùn)動(dòng)和光電管管殼漏電等原因造成的。室內(nèi)各種漫反射光射入光電管造成的光電流稱為本底電流。暗電流和本底電流隨著K、A之間電壓大小變化而

6、變化。陽極電流。制作光電管陰極時(shí)，陽極上也會(huì)被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上，陽極上也有光電子發(fā)射，就形成陽極電流。由于它們的存在，使得實(shí)際IU曲線較理論曲線下移，如圖6。圖6 伏安特性曲線由于暗電流是由陰極的熱電子發(fā)射及光電管管殼漏電等原因產(chǎn)生，與陰極正向光電流相比，其值很小，且基本上隨電位差U呈線性變化，因此可忽略其對(duì)遏止電位差的影響。陽極反向電流雖然在實(shí)驗(yàn)中較顯著，但它服從一定規(guī)律。因此，確定遏止電位差值可采用以下兩種方法： 交點(diǎn)法光電管陽極用逸出功較大的材料制作，制作過程中盡量防止陰極材料蒸發(fā)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)光電管陽極通電，減少其上濺射的陰極材料，實(shí)驗(yàn)中避免入射光直接

7、照射到陽極上，這樣可使它的反向電流大大減少，其伏安特性曲線與圖5十分接近，因此曲線與U軸交點(diǎn)的電位差值近似等于遏止電位差U0，此即本實(shí)驗(yàn)采用的交點(diǎn)法（或零電流法）。 拐點(diǎn)法光電管陽極反向電流雖然較大，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，若使反向光電流能較快地飽和，則伏安特性曲線在反向電流進(jìn)入飽和段后有著明顯的拐點(diǎn)，如圖6中虛線所示的理論曲線下移為實(shí)線所示的實(shí)測(cè)曲線，遏止電位差U0也下移到U0點(diǎn)。因此測(cè)出U0點(diǎn)即測(cè)出了理論值U0。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1、調(diào)整儀器(1)連接儀器；接好電源，打開電源開關(guān)，充分預(yù)熱（不少于20分鐘）。(2)在測(cè)量電路連接完畢后，沒有給測(cè)量信號(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每換一次量程，必須重

8、新調(diào)零。(3)取下暗盒光窗口遮光罩，換上365.0nm濾光片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光筒，調(diào)節(jié)好暗盒與汞燈距離。 2、測(cè)量普朗克常數(shù)（1） 將電壓選擇按鍵開關(guān)置于22V檔，將“電流量程”選擇開關(guān)置于 A檔。將測(cè)試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上。（2） 將直徑為4mm的光闌和365.0nm的濾色片裝在光電管電暗箱輸入口上。（3） 從高到低調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法”測(cè)量該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的，并數(shù)據(jù)記錄。（4） 依次換上405nm、436nm、546nm、577nm的濾色片，重復(fù)步驟（1）、（2）、（3）。 (5) 測(cè)量三組數(shù)據(jù),然后對(duì)h求平均值。3、測(cè)量光電管的伏案特性曲線：(1)暗盒光窗口裝

9、365nm濾光片和4mm光闌，緩慢調(diào)節(jié)電壓旋鈕，令電壓輸出值緩慢由0V伏增加到30V，每隔1V記一個(gè)電流值。但注意在電流值為零處記下截止電壓值。(2)在暗盒光窗口上換上577nm濾光片，仍用4mm的光闌，重復(fù)步驟（1）。(3)選擇合適的坐標(biāo)，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線UI 。4、探究飽和電流與光通量、光強(qiáng)的關(guān)系 控制電壓U=30.0V,波長(zhǎng)為365nm,L=400nm時(shí)，記錄光闌孔分別為2、4、8時(shí)的電流?？刂齐妷篣=30.0V,波長(zhǎng)為365nm,光闌孔為2nm時(shí)，記錄距離L分別為300nm、350nm、400mm時(shí)的電流。六、數(shù)據(jù)記錄與處理：表一 UV關(guān)系波長(zhǎng)(nm) 36540

10、5436546577頻率V(1014HZ)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U(V)-1.815-1.498-1.303-0.732-0.603計(jì)算普朗克常量: 當(dāng)利用不同頻率的單色光分別作光源時(shí), 可以測(cè)出不同頻率下的遏止電位U a。作出U a 與的曲線, 測(cè)曲線的斜率K 為K = h /e =U/v 便可求出普朗克常數(shù)h。K=U/v=0.401610-14h=ek=1.160210-190.401610-14=6.43310-34 JS表二 I-UAK關(guān)系光闌孔：4mm 波長(zhǎng)：577nmUAK(V)-2.0-0.301.02.03.04.05.06.07.08.09

11、.0I(10-10A)0026810121314151618UAK(V)10.011.012.014.016.018.020.022.024.026.028.030.0I(10-10A)192022242527283031323334光闌孔：4nm 波長(zhǎng)：365nmUAK(V)-1.5-0.50123456789I(10-10A)069172738506273828895UAK(V)101112131415182124262830I(10-10A)102110117124132137153170186195203215表三 IMP關(guān)系UAK=30.0V 波長(zhǎng)：365nm L=400nm光闌孔（nm）248I(10-10A)67217805表四 IML 關(guān)系 UAK=30.0V 波長(zhǎng)：365nm 光闌孔：2nm距離L(mm)300350400I(10-10A)473022七、實(shí)