09光電效應法測普朗克常量解析

1、實驗報告：光電效應法測普朗克常量張賀PB07210001、實驗題目：光電效應法測普朗克常量二、實驗目的：了解光電效應的基本規(guī)律。 并用光電效應方法測量普朗克常量和測定光電管 的光電特性曲線。三、實驗儀器:光電管、濾波片、水銀燈、檢流計、直流電源、直流電壓表四、實驗原理：當光照在物體上時， 光的能量僅部分地以熱的形式被物體吸收， 而另一部分 則轉換為物體中某些電子的能量， 使電子逸出物體表面， 這種現象稱為光電效應， 逸出的電子稱為光電子。 在光電效應中， 光顯示出它的粒子性質， 所以這種現象 對認識光的本性，具有極其重要的意義。光電效應實驗原理如圖 821-1 所示。其中 S 為真空光電管，K

2、 為陰極，A 為陽極。當無光照射陰極時，由于陽極與陰極是斷路，所以檢流計 G 中無電流流 過，當用一波長比較短的單色光照射到陰極 K 上時，形成光電流，光電流隨加速 電位差 U 變化的伏安特性曲線如圖 821-2 所示。lag8,2.1 -1光電效應實脫原理圖光*u管的伏安特性曲歿1. 光電流與入射光強度的關系光電流隨加速電位差U的增加而增加，加速電位差增加到一定量值后，光電流達到飽和值和值 IH，飽和電流與光強成正比，而與入射光的頻率無關。當U =UA-UK變成負值時，光電流迅速減小。實驗指出，有一個遏止電位差ua存在，當電位差達到這個值時，光電流為零。2. 光電子的初動能與入射頻率之間的關

3、系光電子從陰極逸出時，具有初動能，在減速電壓下，光電子逆著電場力方向 由 K極向 A 極運動。當 U=U 時，光電子不再能達到 A 極，光電流為零。所以電 子的初動能等于它克服電場力作用的功。即12mv=eUa（ 1）2根據愛因斯坦關于光的本性的假設，光是一粒一粒運動著的粒子流，這些光 粒子稱為光子。每一光子的能量為；二hv，其中 h 為普朗克常量，v為光波的頻 率。所以不同頻率的光波對應光子的能量不同。 光電子吸收了光子的能量 hv之 后，一部分消耗于克服電子的逸出功A,另一部分轉換為電子動能。由能量守恒 定律可知12hvmv2A（2）2式（2）稱為愛因斯坦光電效應方程。由此可見，光電子的初

4、動能與入射光頻率v呈線性關系，而與入射光的強度無關。3. 光電效應有光電存在實驗指出，當光的頻率V：V時，不論用多強的光照射到物質都不會產生光A電效應，根據式（2） ,Vo =,h愛因斯坦光電效應方程同時提供了測普朗克常量的一種方法：由式（1）和（2）可得：hv = eU0|+A，當用不同頻率（V1，V2，V3,，Vn）的單色光 分別做光源時，就有hveU- A hv2= eU2+ A hVn=eUn| +A任意聯立其中兩個方程就可得到匚 e(UUj) h =vi一哲由此若測定了兩個不同頻率的單色光所對應的遏止電位差即可算出普朗克常量h,也可由V-U 直線的斜率求出 ho因此，用光電效應方法測

5、量普朗克常量的關鍵在于獲得單色光、測得光電管的伏安特性曲線和確定遏止電位差值。實驗中，單色光可由水銀燈光源經過單色儀選擇譜線產生。水銀燈是一種氣體放電光源，點燃穩(wěn)定后，在可見光區(qū)域內有幾條波長相差較遠的強譜線。單色儀的鼓輪讀數與出射光的波長存在一對應關系，由單色儀的定標曲線，即可查出出射單色光的波長（有關單色儀的結構和使用方法請參閱有關說明書），也可用水銀燈（或白熾燈）與濾光片聯合作用產生單色光。為了獲得準確的遏止電位差值，本實驗用的光電管應該具備下列條件：（1）對所有可見光譜都比較靈敏。（2）陽極包圍陰極，這樣當陽極為負電位時，大部分光電子仍能射到陽極。（3）陽極沒有光電效應，不會產生反向電

6、流。（4）暗電流很小。但是實際使用的真空型光電管并不完全滿足以上條件。 由于存在陽極光電效 應所引起的反向電流和暗電流（即無光照射時的電流），所以測得的電流值，實V0稱為紅限。(3)際上包括上述兩種電流和由陰極光電效應所產生的正向電流三個部分，所以伏安曲線并不與 U 軸相切。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，因此可忽略其對遏止電位差的影響。 陽極反向光電流雖然在實驗中較顯著， 但它 服從一定規(guī)律。據此，確定遏止電位差值，可采用以下兩種方法：（1）交點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

7、極材料蒸發(fā)， 實驗前對光電管陽極通電，減少其上濺射的陰極材料，實驗中避免入射光直接照 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821-2十分接近，因此曲線與U軸交點的電位差值近似等于遏止電位差 ua，此即交點法。（2）拐點法光電管陽極反向光電流雖然較大，但在結構設計上，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入飽和段后有著明顯的拐點，如圖821-3所示，此拐點的電位差即為遏止電位差。五、實驗內容:通過實驗了解光電效應的基本規(guī)律，并用光電效應法測量普朗克常量。1.在 577nm 546nm 436m 405nm 365nm 五種單色光下分別測出光電管的伏安特性

8、曲線，并根據此曲線確定遏止電位差值，計算普朗克常量h0本實驗所用儀器有：光電管、單色儀（或濾波片）、水銀燈、檢流計（或微電流計）、直流電源、直流電壓計等，接線電路如圖8.2.1-4 所示- 3薦在反向電洗的光 電骨伏旻特性曲線4光電效應實整接線圖實驗中光電流比較微弱，其值與光電管類型，單色光強弱等因素有關，因此 應根據實際情況選用合適的測量儀器。 例如，選用 GD-4 GD-5 或 1977 型光電管， 選用的檢流計的分度值應在1010A/分度左右。如果要測量更微弱的電流可 用微電流計，可測量10J310J2A 的電流由于光電管的內阻很高，光電流如此之微弱，因此測量中要注意抗外界電磁 干擾。并

9、避免光直接照射陽極和防止雜散光干擾。作 V-Ua的關系曲線，用一元線形回歸法計算光電管陰極材料的紅限頻率、逸出 功及 h值，并與公認值比較。六、數據處理：1.在光電管入光口裝上 365nm 濾色片，電壓為-3V，調整光源和光電管之間 的距離，直到光電流為-0.3JA，固定此間距離，不需再變動。2. 分別測 365nm 405nm 436nm 546nm 577nm 的 U-I 特性曲線。從-3V 到25V,拐點處測量間隔盡量?。妷簡挝唬篤;電流單位：丄A）拐點：Ua=-1.72V(1)365nm 濾色片:電壓-3.0-2.5-2.0-1.7-1.5-1.4-1.3-1.2-1.1-1.0電流

10、-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2000.20.3電壓-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10電流3.5電壓1.52.02.53.0電流7.8電壓3.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0電流8.08.99.09.0電壓8.59.09.510.010.511.011.512.012.513.0電流9

11、.4電壓14.015.016.017.018.019.020.021.022.023.0電流9.9電壓24.025.0電流10.010.1U-I 特性曲線如下:拐點：5 =T.42V405nm 濾色片:電壓-3.0-2.5-2.0-1.7-1.5-1.4-1.3-1.2-1.1-1.0電流-0.2-0.2-0.2-0.2-0.1-0.1-0.1-0.1-0.10電壓-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10電流0電壓1.

12、52.02.53.0電流4.75.05.35.4電壓3.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0電流5.96.06.16.1電壓8.59.09.510.010.511.011.512.012.513.0電流6.4電壓14.015.016.017.018.019.020.021.022.023.0電流6.5電壓24.025.0電流6.56.6U-I 特性曲線如下:拐點：Ua=1.0V436nm 濾色片:

13、電壓-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5電流-0.1-0.1-0.1-0.1-0.100電壓-0.4-0.3-0.2-電流3.0電壓0.91.01.52.02.53.03.5電流4.6電壓4.04.55.05.56.06.57.07.58.08.5電流5.05.05.05.0電壓9.09.510.010.511.011.512.012.

14、513.014.0電流5.2電壓15.016.017.018.019.020.021.022.023.024.0電流5.4電壓25.0電流5.4U-I 特性曲線如下:A/nAZ9buen、罄92寸CMCNCXI028L9L寸LCXIL 0L89寸CM0G5n、-MSIlnmCD iomCDocxio令o coooico coo inTco coo inCXI寸co9CD1o寸oog coo cog00CXI cooco coo甘寸co卜CD ioco o00To co6 cio00CXI

15、 co o coco coocoCXI寸co00o1oCXICDCDTmcxi6 cim i CXI comcxico coocxi CXI寸co6CD ioTCDpocxi00cxio iCXI co o cxico cood寸coo1TCD ioCNIpT9 cxim CD CXI coIpTTco cooCDCXIco coIp 1TCD iTCD i6 CDoTo CDoTTco coooico cooNCD iCXICD i9 CD00 o CXI ci m inm CDTco coo00co comNCD iCO o1coo卜CDCXI cxio ino CDTco coo lTc

16、o coocoTCD i寸o1CD9 CD(NIpm oico coo CDco co田www出出w出w-乂間EU9寸9(寸)(5) 577nm 濾色片:電壓-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1電流0000000電壓01.52.02.5電流0.9電壓3.03.54.05.06.07.08.09.010.011.0電流1.01.01.01.01.01.01.01.01.01.0電壓13.015.017.019.020.021.023.025.0電

17、流1.01.01.01.01.0U-I 特性曲線如下:拐點：Ua0.4CV(0.8 -0.75 -0.02)2(1 -1 - 0.02)2=0.0033.裝上 577nm 濾色片，在光源窗口分別裝上透光率為 25% 50% 75%勺遮光片,加 20V 電壓，測量飽和光電流 Im和照射光強度的關系，做出 Im-光強曲線透光率025%50%75%100%Im/叭01.0Im-光強曲線如下:其中由最小二乘法擬合直線方程為Im= k 0.02( k 為透光率)各點偏差的平方和：5D二(yi-xi-0.02)2=(0 -0 - 0.02)2(0.3 - 0.25 -

18、0.02)2(0.5 - 0.5 - 0.02)2i母4. 做 Ua-V 關系曲線，計算紅限頻率和普朗克常數 h,與標準值進行比較。由各波長查表得對應頻率，由 2 中（1）到（5）各圖像，通過拐點法得遏止電壓:波長/nm365405436546577頻率v/1014Hz8.2167.4106.8825.4925.198遏止電壓 Ua/ V-1.72-1.42-1.0-0.67-0.4Ua-V 關系曲線如下:其中由最小二乘法擬合直線方程為Ua= -0.4137 1044v 1.7045各點偏差的平方和：5D =為（yi 0.4137xi-1.7045）0.037i =1已知e =1.602 10 C由公式（3）計算得一 U)h-ke = 0.4137 10e =0.4137 10J41.602 106.627 104(J S)y_Vj再計算A =1.7045e =1.7045