[整理]光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)85953

1、光電效應(yīng)光電效應(yīng) 當(dāng)光束照射到某些金屬表面上時(shí) , 會(huì)有電子從金屬表面即刻逸出 , 這種現(xiàn)象稱 為“光電效應(yīng)”。 1905年愛(ài)因斯坦圓滿地解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到光 的波粒二象性的本質(zhì) , 促進(jìn)了光的量子理論的建立和近代物理學(xué)的發(fā)展 , 愛(ài)因斯坦因此獲得了 1921年的諾貝爾獎(jiǎng)。現(xiàn)在利用光電效應(yīng)制成的各種光電器件( 如光電管、光電倍增管、夜視儀等)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和國(guó)防等領(lǐng)域。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 加深對(duì)光的量子性的認(rèn)識(shí) ;2. 驗(yàn)證愛(ài)因斯坦方程 , 測(cè)定普朗克常數(shù) ;3. 測(cè)定光電管的伏安特性曲線。 實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面上時(shí) , 可以使電

2、子從金屬表面逸出 , 這種現(xiàn)象稱為光 電效應(yīng)。所產(chǎn)生的電子 , 稱為光電子。根據(jù)愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程有hv =1/2 mv：+ W(1)其中V為光的頻率,h為普朗克常數(shù)口和Vm是光電子的質(zhì)量和最大速度，W為電子擺脫金屬表面 的約束所需要的逸出功。按照愛(ài)因斯坦的光量子理論：頻率為v的光子具有能量hv ,當(dāng)金屬中的電子吸收一個(gè)頻率 為v的光子時(shí),便獲得這個(gè)光子的全部能量。如果光子的能量hv大于電子擺脫金屬表面的約束 所需要的逸出功W電子就會(huì)從金屬中逸出,1/2mvm是光電子逸出表面后所具有的最大動(dòng)能；光 子能量h v小于汕,電子不能逸出金屬表面，因而沒(méi)有光電效應(yīng)產(chǎn)生。能產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射 光最低

3、頻率 v 0,稱為光電效應(yīng)的截止 (或極限)頻率。由方程 (1) 可得v0=W/h(2)不同的金屬材料有不同的逸出功，因而vo也是不同的。利用光電管可以進(jìn)行研究光電效應(yīng)規(guī)律、測(cè)量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn) , 實(shí)驗(yàn)原理可參考圖 1。圖中K為光電管的陰極,A為陽(yáng)極,微安表用于測(cè)量微小的光電流，電壓表用于測(cè)量光電管兩極 間的電壓,E為電源,R提供的分壓可以改變光電管兩極間的電勢(shì)差。單色光照射到光電管的陰極K上產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，逸出的光電子在電場(chǎng)的作用下由陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，并且在回路中形成光電流。當(dāng)陽(yáng)極A電勢(shì)為正,陰極K電勢(shì)為負(fù)時(shí),光電子被加速。當(dāng)K電勢(shì)為正,A電勢(shì)為負(fù)時(shí),光電子被 減速；而當(dāng)A、K之間的電勢(shì)差足

4、夠大時(shí)，具有最大動(dòng)能的光電子也被反向電場(chǎng)所阻擋，光電流將 為零。此時(shí)，有e Uo =1/2 mv I(3)式中e為電子電量，Uo稱為截止電壓。光電管的伏安特性曲線(光電流與所加電壓的I-U關(guān)系)如圖2所示。當(dāng)用一定強(qiáng)度的光照射 在光電管陰極K上時(shí)，光電流I隨兩極間的加速電壓改變而改變，開(kāi)始光電流I隨兩極間的加速電 壓增加而增加，當(dāng)加速電壓增加到一定值后，光電流不再增加。這是因?yàn)樵谝欢ü鈴?qiáng)下，單位時(shí) 間內(nèi)所產(chǎn)生的光電子數(shù)目一定，而且這些電子在電場(chǎng)的作用下已全都跑向陽(yáng)極 A,從而達(dá)到飽 和。稱此時(shí)的電流為飽和電流Im。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)兩極間電壓為零時(shí)，仍有光電流I

5、存在。若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減小；當(dāng)反向電壓 達(dá)到截止電壓U0時(shí)，光電流為零。由式(1)、式 及式 可得e Uo= h v -W = h v - h v o即Uo =(h v -W)/e= h/e( v - v o)(4)式(4)表明,截止電壓U0是入射光頻率v的線性函數(shù),其直線的斜率等于h/e?？梢?jiàn),只要用實(shí)驗(yàn) 方法測(cè)量不同頻率光的截止電壓，做出U0- v圖形，從圖中求得直線的斜率h/e,即可求出普朗克 常數(shù)h。另外,從直線和坐標(biāo)軸的交點(diǎn)還可求出截止頻率 v 0。測(cè)定普朗克常數(shù)h的關(guān)鍵是正確地測(cè)定截止電壓U0。但實(shí)際的光電管由于制作工藝等原因，給 準(zhǔn)確測(cè)定截止電壓帶來(lái)一些困難。

6、對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響的主要因素如下。(1) 暗電流和本底電流光電管在沒(méi)有受到光照時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電流，稱為暗電流。它是由陰極在常溫下的熱電子發(fā)射形成的熱電流和封閉在暗盒里的光電管在外加電壓下因管子陰極和陽(yáng)極間絕緣電阻漏電而產(chǎn) 生的漏電流兩部分組成。本底電流是周圍雜散光射入光電管所致。反向電流由于制作光電管時(shí)陽(yáng)極上往往濺有陰極材料，所以當(dāng)光照到陽(yáng)極上或雜散光漫射到陽(yáng)極上時(shí)，陽(yáng)極上也往往有光電子發(fā)射；此外，陰極發(fā)射的光電子也可能被陽(yáng)極的表面所反射。當(dāng)陽(yáng)極A為負(fù)電勢(shì),陰極K為正電勢(shì)時(shí),對(duì)陰極K上發(fā)射的光電子而言起減速作用,而對(duì)陽(yáng)極A發(fā)射或反射 的光電子而言卻起了加速作用，使陽(yáng)極A發(fā)出的光電子也到達(dá)陰極K,形成

7、反向電流。由于上述原因，實(shí)測(cè)的光電管伏安特性（I-U）曲線與理想曲線是有區(qū)別的。且不同的光電 管的伏安特性曲線的特點(diǎn)也不同。一般光電管的伏安特性曲線的特點(diǎn)，可以參考圖3,其中實(shí)線表示實(shí)測(cè)曲線，虛線表示理想曲線即陰極光電流曲線，點(diǎn)劃線代表影響較大的反向電流及暗電 流曲線。實(shí)測(cè)曲線上每一點(diǎn)的電流值是以上 3個(gè)電流值的代數(shù)和。顯然，實(shí)測(cè)曲線上光電流I為 零的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值并不是截止電壓。 從圖3可看出，陽(yáng)極光電流（即反向電流和暗電流）的存 在,使陰極光電流曲線下移，實(shí)測(cè)曲線的抬頭點(diǎn)處的電壓值與截止電壓近似相等 ，可代替截止電 壓。因此,在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)找出實(shí)測(cè)伏安特性曲線的抬頭點(diǎn)來(lái)確定截止

8、電壓U）。本實(shí)驗(yàn)儀器采用了新型結(jié)構(gòu)的光電管。由于其特殊結(jié)構(gòu)使光不能直接照射到陽(yáng)極，由陰極 反射照到陽(yáng)極的光也很少，加上采用新型的陰、陽(yáng)極材料及制造工藝，使得陽(yáng)極反向電流大大 降低，暗電流水平也很低。由于本儀器的特點(diǎn)，在測(cè)量各譜線的截止電壓U0時(shí)，可不用難于操作的“抬頭點(diǎn)法”，而用“零電流法”。零電流法是直接將各譜線照射下測(cè)得的電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓Uk的絕對(duì)值作為截止電壓Ub。此法的前提是陽(yáng)極反向電流、暗電流和本底電流都很小，用零電流法測(cè)得的截止電壓與真 實(shí)值相差很小。且各譜線的截止電壓都相差 U對(duì)Ub-曲線的斜率無(wú)大的影響，因此對(duì) h的測(cè) 量不會(huì)產(chǎn)生大的影響。實(shí)驗(yàn)儀器ZKY-GD-3光電效應(yīng)實(shí)

9、驗(yàn)儀。儀器由汞燈及電源，濾色片，光闌，光電管、測(cè)試儀（含光電管電源和微電流放大器）構(gòu)成，儀器結(jié)構(gòu)如圖 4所示，測(cè)試儀的調(diào)節(jié)面板如圖5所示21汞燈電源2汞燈3濾色片4光闌5光電管6基座7實(shí)驗(yàn)儀圖4儀器結(jié)構(gòu)示意圖ZKY-GD-3 普朗克常數(shù)測(cè)試10-10 10-1110-910-1210-8.1310電壓 C ,CCA-，-Z-+OUV o-2-+2電流調(diào)零電壓調(diào)節(jié)電源電流量程-2 S +2關(guān)圖5儀器前面板示意圖汞燈：可用譜線 365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1 nm、577.Onm濾色片：5 片，透射波長(zhǎng) 365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1

10、nm、577.0nm 光闌：3片，直徑 2mm 4mm 8mm光電管：光譜響應(yīng)范圍320-700nm，暗電流：I < 2X 10-12A （-2 V < LAk< 0 V）光電管電源：2檔，2+ 2V， 2+ 30V，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度w 0.1% 微電流放大器：6檔，10-8 10-13A,分辨率10-14A，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度w0.2%實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）測(cè)試前準(zhǔn)備把汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上，將汞燈暗盒光輸出口對(duì)準(zhǔn)光電管暗盒光輸入口，調(diào)整光 電管與汞燈距離L為約40cm并保持不變。用專用連接線將光電管暗盒電壓輸入端與測(cè)試儀電 壓輸出端（后面板上）連接起來(lái)（紅一紅，藍(lán)一藍(lán)）。用

11、屏蔽電纜將光電管暗盒電流輸出端K與測(cè)試儀微電流輸入端（后面板上）連接起來(lái)。將測(cè)試儀及汞燈電源接通，預(yù)熱 20分鐘。將“電流量程”選擇開(kāi)關(guān)置于所選檔位，儀器 在充分預(yù)熱后，進(jìn)行測(cè)試前調(diào)零，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕使電流指示為000.0。(2) 測(cè)普朗克常數(shù)h將電壓選擇按鍵置于-2 V+2 V檔；將“電流量程”選擇開(kāi)關(guān)置于 10-13A檔，將測(cè)試儀電 流輸入電纜斷開(kāi)，調(diào)零后重新接上；將直徑4mm勺光闌及365.0nm的濾色片裝在光電管暗盒光 輸入口上。從低到高調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法”測(cè)量該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的截止電壓 U0,并將數(shù)據(jù)記于表1中 按表1更換不同波長(zhǎng)的濾光片，測(cè)量不同波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)的截止電壓U0。表1、U

12、0 v關(guān)系 光闌孔=mm電流量程：L= mm波長(zhǎng)入i(nm)365.0404.7435.8546.1577.0頻率 v i( X 1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓Ubi(V)禾U用表1中的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作U0v直線，由圖求出直線斜率k，根據(jù)斜率K用用h=ek 求出普朗克常數(shù)h，并與h的公認(rèn)值 ho比較，求出相對(duì)誤差E =匚電X 100%式中hoe=1.602 10 19C，h° =6.626 104J S。(3) 測(cè)光電管的伏安特性曲線 光電管與汞燈距離L為約40cm并保持不變，將電壓選擇按鍵置于-2 V- +30 V檔，“電 流量程”選擇開(kāi)關(guān)

13、置于10-10A檔，把測(cè)試儀電流輸入電纜斷開(kāi)，調(diào)零后重新接上 ，將直徑4mm, 的光闌及435.8nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值作為第一組數(shù)據(jù)，以后電壓每變化一定值記錄一組數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)記于表 2中。 換上直徑2mm勺光闌，“電流量程”選擇開(kāi)關(guān)置于10-11A檔，把測(cè)試儀電流輸入電纜斷 開(kāi)，調(diào)零后重新接上，重復(fù)上述測(cè)量，并將數(shù)據(jù)記于表 2中。用表2數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作對(duì)應(yīng)于以上兩種光闌(兩種光強(qiáng))的伏安特性曲線，對(duì)兩條曲線 進(jìn)行比較分析。表 1、I UAk 關(guān)系L= mm435.8nmUAk (V)光闌4mmI (X 10-10A)435.8nm 光闌2mmUXK (V)I (X 10-11A)注意事項(xiàng)1微電流測(cè)量放大器必須充分預(yù)熱測(cè)量方能準(zhǔn)確。2. 在儀器的使用過(guò)程中，汞燈不宜直接照射光電管，也不宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)照射加有光闌和濾光片的光電管，如此將減少光電管的使用壽命。為避免強(qiáng)光直射