光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)題目光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、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)的根本規(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、儀器用具ZKY GD 3光電效應(yīng)測(cè)試儀、汞燈及電源、濾色片五個(gè)、光闌兩個(gè)、 光電管、測(cè)試儀四、實(shí)驗(yàn)原理1、光電效應(yīng)與愛因斯坦方程用適宜頻率的光照射在某些金屬外表上時(shí)，會(huì)有電子從金屬外表逸出，這種 現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬外表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“光量子的概念，認(rèn)為對(duì)于頻率為I的光波，每個(gè)光子的能量為式中，:為普朗克常

2、數(shù)，它的公認(rèn)值是 ' =6.626:九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，一局部用來克服金屬外表對(duì)它的約束， 其余的能量那么成為該光電子逸出金屬外表后的動(dòng)能。愛因斯坦提出了著名的光電 方程：1 0hy = -?nv + 爐2 ? 1式中， 為入射光的頻率，m為電子的質(zhì)量，v為光電子逸出金屬外表的初速度，匚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，入射到金屬外表的光頻率越高，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

3、電位低時(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U。被稱為光電效應(yīng)的截止電壓?顯然，有1 2mv = 0? (2)代入1式，即有 _ +! ? (3)由上式可知，假設(shè)光電子能量h :W，那么不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最W低頻率是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0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 的頻率成正比，將3式改寫為: ： . ?(4)上式說明，截止電壓U

4、。是入射光頻率 的線性函數(shù)，如圖2,當(dāng)入射光的頻 率 二0時(shí)，截止電壓Uo =°，沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率個(gè)正的常數(shù)：H ? 5由此可見，只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的 U。-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)h。其中:1.-' _ . 11|-：，-?是電子的電量。Ub-v直線2、光電效應(yīng)的伏安特性曲線下列圖是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的原理圖。頻率為 ??；、強(qiáng)度為廠的光線 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Uak，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Uak的增加，至U

5、達(dá)陽極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向電壓增 加到Um時(shí)，光電流到達(dá)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 即稱為飽和光電流。光電效應(yīng)原理圖由于光電子從陰極外表逸出時(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，假設(shè)在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當(dāng)反向 電壓到達(dá)截止電壓時(shí)，光電流為零。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：(1) 暗電流和本底電流存在，可利用此，測(cè)出截止電壓(補(bǔ)償法)。(2) 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

6、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IU曲線較理論曲線下移，如下列圖所示。伏安特性曲線五、實(shí)驗(yàn)步驟?1、調(diào)整儀器?(1)連接儀器；接好電源，翻開電源開關(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)h(1) 將電壓選擇按鍵開關(guān)置于 乞+ 2V檔，將“電流量程選擇開關(guān)置于 in-' A檔。將測(cè)試儀電流輸入電纜斷

7、開，調(diào)零后重新接上。(2) 將直徑為4mm勺光闌和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)量該波長對(duì)應(yīng)的Uo，并數(shù)據(jù)記錄。(4) 依次換上404.7nm、435.8nm、546.1 nm、577.0nm的濾色片，重復(fù)步驟(1)、( 2)、( 3)。(5) 測(cè)量三組數(shù)據(jù)你，然后對(duì)h取平均值。3、測(cè)量光電管的伏安特性曲線(1) 暗盒光窗口裝365.0nm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404.7nm濾光片，仍用4mm!勺

8、光闌，重復(fù)步驟(1) <(3) 選擇適宜的坐標(biāo)，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線UI。六、實(shí)驗(yàn)記錄與處理1、零電流法測(cè)普朗克常量h(光闌=2mm)波長入(nm)365405436546577頻率 V ( x 1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電 壓u。(V)第一次1.7161.3681.1730.6200.492第二次1.7121.3981.1790.6150.491第三次1.7001.3901,1650.6180.485第一次測(cè)量結(jié)果及處理: 第二次測(cè)量結(jié)果及處理: 第三次測(cè)量結(jié)果及處理:2、補(bǔ)償法測(cè)普朗克常量h波長入(nm)3654054365

9、4657714頻率 V ( x 10 Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U0 (V)1.7241.4081.1830.6240.5043、測(cè)量光電管的伏安特性曲線(波長入=436nm光闌=2mmU (V)I (X 10 A)U (V)I (X 10 A)U (V)I (X 10 A)-2-0.2944.32071.9-10.41048.02173.704.21151.42275.1111.11254.9P 2376.6217.81357.92477.8324.01460.32579.6426.91562.52681.4530.11664.52782.5633.51

10、766.52882.8737.01868.32983.4840.81969.93085.2七、誤差計(jì)算由上面圖表，零電流法三次測(cè)量的結(jié)果誤差依次為:E=-2.93%Ef-1.99%E=-2.85%補(bǔ)償法測(cè)量的結(jié)果誤差為：E=-2.05%八、實(shí)驗(yàn)分析討論本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同的方法都測(cè)出了普朗克常數(shù)，但都有一定的實(shí)驗(yàn)誤差，據(jù)分析誤差產(chǎn)生原因是：1、暗電流的影響，暗電流是光電管沒有受到光照射時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電流，它是 由于熱電子發(fā)射、和光電管管殼漏電等原因造成；2、本底電流的影響，本底電流是由于室內(nèi)的各種漫反射光線射入光電管所致， 它們均使光電流不可能降為零 且隨電壓的變化而變化。3、光電管制作時(shí)產(chǎn)生的影響

11、：1、由于制作光電管時(shí)，陽極上也往往濺射有陰極材料，所以當(dāng)入射光射到陽極上或由陰極漫反射到陽極上時(shí)，陽極也有光電子發(fā)射，當(dāng)陽極加負(fù)電位、陰極加正電位時(shí)，對(duì)陰極發(fā)射的光電子起了減速 的作用，而對(duì)陽極的電子卻起了加速的作用，所以I U關(guān)系曲線就和IKA、UKA 曲線圖所示。為了精確地確定截止電壓 US,就必須去掉暗電流和反向電流的影 響。以使由1= 0時(shí)位置來確定截止電壓US的大??；制作上的其他誤差。4、實(shí)驗(yàn)者自身的影響：1從不同頻率的伏安特性曲線讀到的“抬頭電壓截止電壓，不同人讀得的不一樣，經(jīng)過處理后的到U sv曲線也不一樣，測(cè)出的數(shù)值就不一樣；2調(diào)零時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)誤差，及在測(cè)量時(shí)恐怕也會(huì)使 原

12、來調(diào)零的系統(tǒng)不再準(zhǔn)確。5、參考值本身就具有一定的精確度，本身就有一定的誤差。6、理論本身就有一定的誤差，例如，1963年Ready等人用激光作光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了與愛因斯坦方程偏離的奇異光電發(fā)射。1968年Teich和Wolga用GaAs激光器發(fā)射的h：=1.48eV的光子照射逸出功為A=2.3eV的鈉金屬時(shí)，發(fā) 現(xiàn)光電流與光強(qiáng)的平方成正比。按愛因斯坦方程，光子的頻率處于鈉的閥頻率以 下，不會(huì)有光電子發(fā)射，然而新現(xiàn)象卻發(fā)生了，不但有光電子發(fā)射，而且光電流 不是與光強(qiáng)成正比，而是與光強(qiáng)的平方成正比。于是，人們?cè)O(shè)想光子間進(jìn)行了“合 作，兩個(gè)光子同時(shí)被電子吸收得以躍過外表能壘，稱為雙光子光電發(fā)射。

13、后來，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)說明，可以三個(gè)、多個(gè)、甚至 40個(gè)光子同時(shí)被電子吸收而發(fā)射光 電子，稱為多光子光電發(fā)射。人們推斷，n光子的光電發(fā)射過程的光電流似乎應(yīng) 與光強(qiáng)的n次方成正比。九、附錄1. 光電效應(yīng)歷史光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對(duì)開展量子理論起了根本性作 用。1887年，首先是赫茲M.Hertz 在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)， 赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，那么在兩個(gè)小球之間就非常容易跳過 電花。大約1900年，馬克思？布蘭科MaxPlanek對(duì)光電效應(yīng)作出最初解釋，并 引出了光具有的能量包裹式能量 quantised 這一理論。他給這一理論歸咎成 一個(gè)等式，

14、也就是E=hf，E就是光所具有的“包裹式能量，h是一個(gè)常數(shù)， 統(tǒng)稱布蘭科常數(shù)Planek's constant ，而f就是光源的頻率。 也就是說， 光能的強(qiáng)弱是有其頻率而決定的。但就是布蘭科自己對(duì)于光線是包裹式的說法也 不太肯定。1902年，勒納Lenard也對(duì)其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子 吸收了入射光的能量而從外表逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋；1905年，愛因斯坦 26 歲時(shí)提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得 1921 年諾貝爾物理獎(jiǎng)。他進(jìn)一步推廣了布蘭科的理論，并導(dǎo)出公式，Ek=hf-W，W便是所需將電子從金屬外表上自由化的能量。而Ek呢就是電子自由

15、后具有的勢(shì)能。2. 測(cè)量普朗克常量h的其他方法1、2 光電效應(yīng)法補(bǔ)償法、零電流法、拐點(diǎn)法2、X 射線光電效應(yīng)法3、X 射線原子游離法4、黑體輻射計(jì)算法5、電子衍射法6、康普頓波長移位法7、X 射線連續(xù)譜短波限法8、電子- 正電子對(duì)湮沒輻射法9、1962 年由約瑟夫森提出的測(cè)定 2 e/ h 的交流約瑟夫森效應(yīng)法10、由馮克利青于 1980年發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng),測(cè)定h/ e2 的 量子霍爾效應(yīng)法11、由英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的基布爾等人于1990 年采用的直接測(cè)定 h 的通電動(dòng)圈法12、用磁化率測(cè)量普朗克常量 基于測(cè)量弱磁物質(zhì)磁化率的根本原理 使用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)用的 Gouy 磁天平 3光電管為什么要裝在暗盒中的原因光電管裝在暗盒中一方面