5光電效應試驗-10文檔資料

1、光電效應實驗一定頻率的光照射在金屬表面時，會有電子從金屬表面逸出，這種 現(xiàn)象稱為光電效應。1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應現(xiàn)象， 以后又經(jīng)過許多人 的研究，總結出一系列實驗規(guī)律。1905年，愛因斯坦在普朗克能量子假設 的基礎上，提出了光量子理論，成功地解釋了光電效應的全部規(guī)律。實驗原理光電效應的實驗原理如圖1所示。用強度為P的單色光照射到光電管陰極K時，陰極釋放出的光電子在電場的加速作用下向陽極板 A遷移，在回路中形成光電流。第 3 頁圖1實驗原理圖圖2光電管同一頻率不同光強的伏安特性曲線用實驗得到的光電效應的基本規(guī)律如下：Uak，測量出光電流I1、光強P 一定時，改變光電管兩端的電壓的大小，即可

2、得出光電管的伏安特性曲線。隨 Uak的增大，I迅 速增加，然后趨于飽和，飽和光電流Im的大小與入射光的強度 P 成正比。2、當光電管兩端加反向電壓時，光電流將逐步減小。當光電流減 小到零時，所對應的反向電壓值，被稱為截止電壓U0 （圖2）。這表明此時具有最大動能的光電子剛好被反向電場所阻擋，于 是有-mV02 eU0 （式中m V）、e分別為電子的質(zhì)量、速度和電荷量）。2（1）不同頻率的光，其截止電壓的值不同（圖3）。3、改變?nèi)肷涔忸l率 時，截止電壓 U0隨之改變，U。與 成線性關 系（圖4）。實驗表明，當入射光頻率低于。（o隨不同金屬而異，稱為截止頻率）時，不論光的強度如何，照射時間多長，都

3、 沒有光電流產(chǎn)生。圖3光電管不同頻率的伏安特性曲線圖4截止電壓U0與頻率的關系4、光電效應是瞬時效應。即使入射光的強度非常微弱，只要頻率大于0，在幵始照射后立即有光電子產(chǎn)生，延遲時間最多不超過10 9秒。經(jīng)典電磁理論認為，電子從波陣面上獲得能量，能量的大小應與光的強度有關。因此對于任何頻率，只要有足夠的光強度和足夠的照射時間，就會發(fā)生光電效應，而上述實驗事實與此直接矛盾。顯然經(jīng) 典電磁理論無法解釋在光電效應中所顯示出的光的量子性質(zhì)。按照愛因斯坦的光量子理論，光能是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率（或波長）的概念，頻率為的光子具有能量E h ，h為普朗克常數(shù)。當光束照射金屬時

4、，是以光粒子的形 式打在它的表面上。金屬中的電子要么不吸收能量，要么就吸收一個 光子的全部能量h ，而無需積累能量的時間。只有當這能量大于電子 擺脫金屬表面約束所需的逸出功 A時，電子才會以一定的初動能逸出 金屬表面。按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應方程：1 2hv mV0 A（ 2）式中，A為金屬的逸出功，mV02為光電子獲得的初始動能。2由該式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能越第3頁大。光子的能量h 0 A時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。 產(chǎn)生光電效應的最低頻率（截止頻率）是 ° A h。將（2）式代入（1）式中可得：eU° h

5、A（ 3）U° h（v V。）e此式表明截止電壓 U°是頻率 的線性函數(shù)。只要用實驗方法得出不同的頻率的截止電壓，由直線斜率和截距，就可分別算出普朗克常數(shù)h和截止頻率°。基于此，在愛因斯坦光量子理論提出約十年后， 密立根用實驗證實了愛因斯坦的光電效應方程，并精確地測定了普朗 克常數(shù)。兩位物理大師在光電效應等方面的杰出貢獻，分別于1921年和1923年獲得諾貝爾物理學獎。光電效應實驗，使人們對光的波粒二象性的本質(zhì)有了更深的認識。對光電效應現(xiàn)象的研究，促進了光的量子理論的建立和近代物理學的發(fā)展。今天，利用光電效應制成的各種光電器件，如光電池、光電管、 光電倍增管等，已

6、被廣泛的應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科研等各個領 域。實驗儀器ZKY -GD-4智能光電效應（普朗克常數(shù)）實驗儀，儀器由光電檢測裝置（含光電管暗箱，高壓汞燈燈箱，高壓汞燈電源和實驗基準平臺） 及實驗主機-光電效應實驗儀（含微電流放大器、掃描電壓源發(fā)生器兩 部分）構成。儀器結構如圖 5所示。31.汞燈電源，2.汞燈，3.濾光片，4.光闌，5.光電管，6.光電效應測試儀，7.基座圖5儀器結構圖主要技術參數(shù):1、微電流放大器：電流測量范圍：1081013A，分6檔，三位半數(shù)顯，最小顯示位 10-14Ao零漂：幵機20分鐘后、30分鐘內(nèi)不大于滿度的0.2%（10 13A檔）2、光電管工作電源：電壓調(diào)節(jié)范圍

7、：0 2V檔，示值精度 1 %，最小調(diào)節(jié)電壓2mV1 5CM檔，示值精度 5 %，最小調(diào)節(jié)電壓0.5V o3、光電管：光匕譜響應范圍340-700nm,最小陰極靈敏度1 A Lm，陽極：鎳圈暗電流：12 10 12A ( 2VUAk0V )4、濾光片：5 片，透射波長 365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1 nm、578.0nm光闌：3片，直徑2mm 4mm 8mm5、汞燈:可用譜線 365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1 nm、578.0nm 第 7 頁測量誤差： 3 實驗內(nèi)容一、必做部分：1 了解光電效應的基本規(guī)律。2 測定光電管伏安特性曲線和入射光

8、頻率與光電管截止頻率間的關 系，計算普朗克常數(shù)。注意事項：1、 做好測試前準備：1）用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與測試儀電壓輸出端 （后面板上）連接起來（注意導線與接口的顏色） 。2）將汞燈及光電管暗箱遮光蓋蓋上，將汞燈暗箱光輸出口對準光 電管暗箱光輸入口，調(diào)整光電管與汞燈距離約為40cm并保持不變。3）將測試儀及汞燈電源接通，預熱20分鐘。2、測定普朗克常數(shù)h時注意調(diào)零和汞燈的遮蓋：理論上，測出各頻率的光照射下陰極電流為零時對應的 UAK ，其 絕對值即為該頻率的截止電壓 （零電流法 ） ，然而實際上由于光電管的陰 極反向電流 （陽極制作過程沾上少許陰極材料， 入射光照射陽極或入射 光

9、從陰極反射到陽極之后都會造成陽極光電子發(fā)射） 、暗電流（無光照 時， 陰極本身的熱電子發(fā)射） 、本底電流（外界各種漫反射光照射所致） 的影響， 實測電流并非陰極電流， 實測電流為零時對應的 UAK 也并非截 止電壓。由于本實驗儀器的電流放大器靈敏度高、穩(wěn)定性好。光電管陽極反向電流、暗電流也較低。在測量各譜線的截止電壓 Uo時，可采用“零 電流法”。1）將“電流量程”選擇幵關置于所選檔位（伏安特性測試時用10-1°A,截止電壓測試時用10"A），將光電管暗箱電流輸出 端從實驗儀后面板斷幵，進行測試前調(diào)零。（注意：每次實驗儀幵機或改變電流量程后都要調(diào)零）2）待電流指示為000.

10、0，電壓指示為 后，將光電管暗箱電流輸出端與測試儀微電流輸入端連接起來，按調(diào)零確認鍵，系統(tǒng)進入測試狀態(tài)。3）選擇手動測量截止電壓模式。4）將直徑4mn的光闌及365.0nm的濾光片裝在光電管暗箱光輸 入口上（注意：安裝、更換光闌或濾光片時，要將汞燈的遮 光蓋蓋好，以免強光直射光電管）。5）從低到高調(diào)節(jié)電壓，觀察電流值的變化。用“零電流法” 測量該波長對應的U。，并將測量數(shù)據(jù)記入表中。6）依次換上 404.7nm，435.8nm，546.1 nm，578.0nm 的濾光片，重復5）的測量步驟。數(shù)據(jù)記錄參考表光闌 =mm波長i (nm)365.0404.7435.8546.1578.0頻率i(10

11、14Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U0i（V）3、測光電管的伏安特性曲線時注意掃描區(qū)域和存儲空間的選擇：1）進行測試前調(diào)零，選擇伏安特性測試的自動模式。2）測定光電管同一光強不同波長的伏安特性曲線。a. 將直徑2mm勺光闌及365.0nm的濾光片裝在光電管暗箱光輸入 口上。b. 設置掃描起始和終止電壓（-150V）。c. 按存儲區(qū)1鍵，自動掃描幵始。掃描結束時，查詢燈亮。d. 用電壓調(diào)節(jié)鍵改變電壓值，查閱并記錄（數(shù)據(jù)記錄表自擬）掃描到的電壓及相應的電流值后，滅查詢燈，進入新的測試狀態(tài)。e. 依次換上435.8nm，578.0nm的濾光片，重復 b、c、d的測量

12、 步驟。f. 測量結束時，示波器上應留有三條伏安特性曲線。二、選作部分（自選測量方式、自擬數(shù)據(jù)記錄表格）1、 用“補償法”測截止電壓求普朗克常數(shù)h :補償法是調(diào)節(jié)電壓Uak使電流為零后，保持Uak不變，遮擋汞燈光 源，此時測得的電流I1為電壓接近截止電壓時的暗電流和本底電流。重新讓汞燈照射光電管，調(diào)節(jié)電壓 Uak使電流值至I1，將此時對應的電壓 U AK的絕對值作為截止電壓 U 0。此法可補償暗電流和本底電流對測量 結果的影響。2、測定光電管同一波長不同光強的伏安特性曲線，驗證光電管的飽和第 11 頁光電流與入射光強成正比（光強與光闌面積成正比）數(shù)據(jù)處理要求:1用最小二乘法得出U0 直線的斜率

13、kUo - Uo其中:根據(jù)線性回歸理論，Uo 直線的斜率k的最佳擬合值為:2表示頻率的平均值n i in2 丄 2一in i i-2 1 n 2 (v)(i)n i i頻率 的平均值的平方1nU o 一U oini 11 nUoiU oin i i平均值求出直線斜率k后，可用hho比較，求出相對誤差Eh06.626 10 34 J S ）。h hoho表示頻率的平方的平均值表示表示截止電壓Uo的平均值表示頻率 與截止電壓U o的乘積的ek求出普朗克常數(shù)，并與h的公認值ioo% （電子電量e191.6o3 io C，2、作出光電管同一光強不同波長的伏安特性曲線（畫在同一坐標系內(nèi)）思考題伏特，那么它做成光電管陰極時其截止頻率是多少？為什么隨著電壓的增大，光電流