GD_3光電效應(yīng)普朗克常數(shù)實驗儀實驗指導(dǎo)與操作說明書_2011_10_20

1、ZKY-GD-3光電效應(yīng)(普朗克帶教)賣瞼儀賣瞼指導(dǎo)及掾作說明書成都世紀(jì)中科儀器有限公司地址:市人民南路四段九號中科院分院 郵狷：610041:(028 ) 85247006 85243932 傳真:(028 ) 85247006網(wǎng)址;WWW.ZKY.CnE-ma止 ZKYZKY.CnZKY-GD-3光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實驗儀技術(shù)參數(shù)1 .微電流放大器：電流測量囤：10440-I3A,分6檔。零漂：開機20分鐘后，30分鐘不大于滿度讀數(shù)的±0.2% （10/3A檔）2 .光電管工作電源：電壓調(diào)節(jié)圍：-20匕-2+30V,分2檔，三位半數(shù)顯。穩(wěn)定度W0.1%3 .光電管：光譜響應(yīng)圍：

2、300700nm最小陰極靈敏度21NA/Lm陽極：銀圈暗電流：IW2X10/2A（-2VWUAKW0V）4 .濾光片組：5 組:中心波長 365.0, 404.7, 435.8, 546.1, 577.0nm5.汞燈：可用譜線 365. Onm、404. 7nm 435. 8nm、546. lnm、577. OnmZKY-GD-3光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）簡介一、儀器主要結(jié)構(gòu)特點：1 .在微電流測量中采用高精度集成電路構(gòu)成電流放大器。對測量回路而言，放大器近似于理想電流 表，對測量回路無影響。由于精心設(shè)計，精心選擇元器件，精心制作，使電流放大器達(dá)到高靈敏度 （10-8-10-13A分6擋，），高穩(wěn)

3、定性（零漂小于滿刻度0.2%）,使測量準(zhǔn)確度大大提高。2 .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極，由陰極反射照到陽極的光 也很少，加上采用新型的陰、陽極材料及制造工藝，使得陽極反向電流大大降低，暗電流水平也很 低。3 .設(shè)計制作了一組高性能的濃色片。保證了在測量某一譜線時無其余譜線的干擾，避免了譜線相互 干擾帶來的測量誤差。二、儀器使用特點：1 .由于儀器的穩(wěn)定性好且無譜線之間的相互干擾，測出的I-U特性曲線平滑，重復(fù)性好。2 .在測量各譜線的截止電壓U。時，可不用難于操作的“拐點法”，而用“零電流法”或“補償法工 零電流法是直接將各譜線照射下測得的電流為零時對應(yīng)的電壓

4、由作為截止電壓Uoo此法的前提 是陽極反向電流、暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流都很小，用零電流法測得的截止電壓與真實值相差很小, 且各譜線的截止電壓都相差A(yù)U對曲線的斜率無大的影響，因此對h的測量不會產(chǎn)生大的影響。補償法是調(diào)節(jié)電壓必使電流為零后，保持心不變，遮擋汞燈光源，此時測得的電流I：為電壓接 近截止電壓時的暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流。重新讓汞燈照射光電管，調(diào)行電壓U*使電流值至L, 將此時對應(yīng)的電壓Ua作為截止電壓Uoo此法可補償暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流對測量結(jié)果的影響。3 .使用我們的儀器，采用上述測量方法，不但使得U。的測量快速，重復(fù)性好，而且據(jù)此計算出的h 誤差小于5%o光電效應(yīng)和普朗克常

5、數(shù)的測定光電效應(yīng)是指一定頻率的光照射在金屬表面時會有電子從金屬表而逸出的現(xiàn)象。光電效應(yīng)實驗 對于認(rèn)識光的本質(zhì)及早期量子理論的發(fā)展，具有里程碑式的意義。自古以來，人們就試圖解釋光是什么，到17世紀(jì)，研窕光的反射，折射，成像等規(guī)律的幾何光 學(xué)基本確立。牛頓等人在研究幾何光學(xué)現(xiàn)象的同時，根據(jù)光的直線傳播性，認(rèn)為光是一種微粒流， 微粒從光源飛出來，在均勻物質(zhì)以力學(xué)規(guī)律作勻速直線運動。微粒流學(xué)說很自然的解釋了光的直線 傳播等性質(zhì)，在17, 18世紀(jì)的學(xué)術(shù)界占有主導(dǎo)地位，但在解釋牛頓環(huán)等光的干涉現(xiàn)象時遇到了困難。惠更斯等人在17世紀(jì)就提出了光的波動學(xué)說，認(rèn)為光是以波的方式產(chǎn)生和傳播的，但早期的波 動理論缺

6、乏數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，很不完善，沒有得到重視。19世紀(jì)初，托馬斯.發(fā)展了惠更斯的波動理論， 成功的解釋了干涉現(xiàn)象，并提出了著名的氏雙縫干涉實驗，為波動學(xué)說提供了很好的證據(jù)。1818年, 年僅30歲的菲涅耳在法國科學(xué)院關(guān)于光的衍射問題的一次懸獎?wù)魑幕顒又?，從光是橫波的觀點出 發(fā)，圓滿的解釋了光的偏振，并以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，定量的計算了光通過圓孔，圓板等形狀的障礙 物所產(chǎn)生的衍射花紋，推出的結(jié)果與實驗符合得很好，使評獎委員會大為嘆服，榮獲了這一屆的科 學(xué)獎，波動學(xué)說逐步為人們所接受。1856-1865年，麥克斯韋建立了電磁場理論，指出光是一種電 磁波，光的波動理論得到確立。19世紀(jì)末，物理學(xué)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展

7、，在力、熱、電、光等領(lǐng)域，都已經(jīng)建立了完整的理論 體系，在應(yīng)用上也取得巨大成果。就當(dāng)物理學(xué)家普遍認(rèn)為物理學(xué)發(fā)展已經(jīng)到頂時，從實驗上陸續(xù)出 現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)，揭開了現(xiàn)代物理學(xué)革命的序幕，光電效應(yīng)實驗在其中起了重要的作用。1887年赫茲在用兩套電極做電磁波的發(fā)射與接收的實驗中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)紫外光照射到接收電極的負(fù) 極時，接收電極間更易于產(chǎn)生放電，赫茲的發(fā)現(xiàn)吸引許多人去做這方面的研究工作。斯托列托夫發(fā) 現(xiàn)負(fù)電極在光的照射下會放出帶負(fù)電的粒子，形成光電流，光電流的大小與入射光強度成正比，光 電流實際是在照射開始時立即產(chǎn)生，無需時間上的積累。1899年，湯姆遜測定了光電流的荷質(zhì)比， 證明光電流是陰極在光照射

8、下發(fā)射出的電子流。赫茲的助手勒納德從1889年就從事光電效應(yīng)的研究 工作，1900年，他用在陰陽極間加反向電壓的方法研究電子逸出金屬表面的最大速度，發(fā)現(xiàn)光源和 陰極材料都對截止電壓有影響，但光的強度對截止電壓無影響，電子逸出金屬表面的最大速度與光 強無關(guān)，這是勒納德的新發(fā)現(xiàn)，勒納德因在這方面的工作獲得1905年的諾貝爾物理獎。光電效應(yīng)的實驗規(guī)律與經(jīng)典的電磁理論是矛盾的，按經(jīng)典理論，電磁波的能量是連續(xù)的，電子 接受光的能量獲得動能，應(yīng)該是光越強，能量越大，電子的初速度越大：實驗結(jié)果是電子的初速與 光強無關(guān)；按經(jīng)典理論，只要有足夠的光強和照射時間，電子就應(yīng)該獲得足夠的能量逸出金屬表面, 與光波頻率

9、無關(guān)；實驗事實是對于一定的金屬，當(dāng)光波頻率高于某一值時，金屬一經(jīng)照射，立即有 光電子產(chǎn)生：當(dāng)光波頻率低于該值時，無論光強多強，照射時間多長，都不會有光電子產(chǎn)生。光電 效應(yīng)使經(jīng)典的電磁理論陷入困境，包括勒納德在的許多物理學(xué)家，提出了種種假設(shè)，企圖在不違反 經(jīng)典理論的前提下，對上述實驗事實作出解釋，但都過于牽強附會，經(jīng)不起推理和實踐的檢驗。1900年，普朗克在研究黑體幅射問題時，先提出了一個符合實驗結(jié)果的經(jīng)驗公式，為了從理論 上推導(dǎo)出這一公式，他采用了玻爾茲夏的統(tǒng)計方法，假定黑體的能量是由不連續(xù)的能量子構(gòu)成，能 量子的能量為hv。能量子的假說具有劃時代的意義，但是無論是普朗克本人還是他的許多同時代

10、人 當(dāng)時對這一點都沒有充分認(rèn)識。愛因斯坦以他驚人的洞察力，最先認(rèn)識到量子假說的偉大意義并予 以發(fā)展，1905年，在其著名論文關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點中寫道：“在我看來， 如果假定光的能量在空間的分布是不連續(xù)的，就可以更好的理解黑體輻射，光致發(fā)光，光電效應(yīng)以 及其它有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的各種觀察結(jié)果。根據(jù)這一假設(shè)，從光源發(fā)射出來的光能在傳播 中將不是連續(xù)分布在越來越大的空間之中，而是由一個數(shù)目有限的局限于空間各點的光量子組成， 這些光量子在運動中不再分散，只能整個的被吸收或產(chǎn)生”。作為例證，愛因斯坦由光子假設(shè)得出了 著名的光電效應(yīng)方程，解釋了光電效應(yīng)的實驗結(jié)果。愛因斯坦的光子理論由

11、于與經(jīng)典電磁理論抵觸，一開始受到懷疑和冷遇。一方面是因為人們受 傳統(tǒng)觀念的束縛，另一方面是因為當(dāng)時光電效應(yīng)的實驗精度不高，無法驗證光電效應(yīng)方程。密立根 從1904年開始光電效應(yīng)實驗，歷經(jīng)十年，用實驗證實了愛因斯坦的光量子理論。兩位物理大師因在 光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)，分別于1921和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。密立根在1923年的領(lǐng)獎 演說中，這樣談到自己的工作：“經(jīng)過十年之久的實驗、改進(jìn)和學(xué)習(xí)，有時甚至還遇到挫折，在這以 后，我把一切努力針對光電子發(fā)射能量的精密測量，測量它隨溫度，波長，材料改變的函數(shù)關(guān)系。 與我自己預(yù)料的相反，這項工作終于在1914年成了愛因斯坦方程在很小的實驗誤差用精

12、確有效的第 一次直接實驗證據(jù)，并且第一次直接從光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù)h”。愛因斯坦這樣評價密立根的工 作：“我感激密立根關(guān)于光電效應(yīng)的研究，它第一次判決性的證明了在光的影響下電子從固體發(fā)射與 光的頻率有關(guān)，這一量子論的結(jié)果是輻射的量子結(jié)構(gòu)所特有的性質(zhì)”。光量子理論創(chuàng)立后，在固體比熱，輻射理論，原子光譜等方面都獲得成功，人們逐步認(rèn)識到光 具有波動和粒子二象屬性。光子的能量E二hv與頻率有關(guān)，當(dāng)光傳播時，顯示出光的波動性，產(chǎn)生干 涉，衍射，偏振等現(xiàn)象：當(dāng)光和物體發(fā)生作用時，它的粒子性又突出了出來。后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)波粒 二象性是一切微觀物體的固有屬性，并發(fā)展了量子力學(xué)來描述和解釋微觀物體的運動規(guī)律，使

13、人們 對客觀世界的認(rèn)識前進(jìn)了一大步。實驗?zāi)康? . 了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對光的量子性的理解。2 .測量普朗克常數(shù)h。實驗原理光電效應(yīng)的實驗原理如圖1所示。入射光照射到光電管陰極K上，產(chǎn)生的光電子在電場的作用 下向陽極A遷移構(gòu)成光電流，改變外加電壓乙，測量出光電流I的大小，即可得出光電管的伏安特 性曲線。1、光電效應(yīng)光電效應(yīng)的實驗原理如圖1所示。入射光照射到光電管陰極K上，產(chǎn)生的光電子在電場的作用 下向陽極A遷移構(gòu)成光電流，改變外加電壓Uak,測量出光電流I的大小，即可得出光電管的伏安 特性曲線。圖1光電管的伏安特性曲線光電效應(yīng)的基本實驗事實如下：（1）對應(yīng)于某一頻率，光電效應(yīng)的IUak關(guān)系

14、如圖3所示。從圖中可見，對一定的頻率，有一 電壓U。，當(dāng)UakWUo時，電流為零，這個相對于陰極的負(fù)值的陽極電壓U。，被稱為截止電壓。（2）當(dāng)UakUo后，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。（3）對于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖4所示。（4）作截止電壓Uo與頻率v的關(guān)系圖如圖5所示。Uo與v成正比關(guān)系。當(dāng)入射光頻率低于某極限值Vo （Vo隨不同金屬而異）時，不論光的強度如何，照射時間多長，都沒有光電流產(chǎn)生。（5）光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)。即使入射光的強度非常微弱，只要頻率大于V。，在開始照射后立即有 光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過的時間至多為10 9秒的數(shù)量級。圖

15、2實驗原理圖圖3同一頻率，不同光強時 光電管的伏安特性曲線將（2）式代入（1）式可得：eU（）=hvA(3)圖4圖5不同頻率時光電管截止電壓Uo與入射的伏安特性曲線光頻率V的關(guān)系圖按照愛因斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想象的那樣，分布在波陣而上，而是集 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V的光子具有 能量E=hv, h為普朗克常數(shù)。當(dāng)光子照射到金屬表面上時，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需 積累能量的時間。電子把這能量的一部分用來克服金屬表而對它的吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開 金屬表面后的動能，按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方

16、程：1 ,h v = + A（1）2式中，A為金屬的逸出功，為2為光電子獲得的初始動能，%為最大速度，m為光電子的 2質(zhì)量，y為光的頻率，h為布朗克常數(shù)。由該式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能越大，所以即使陽極電位比陰極電位低時也會有電子落入陽極形成光電流，直至陽極電位低于截止電壓，光電流才為零，此時有關(guān)系：eU（）=（2）2陽極電位高于截止電壓后，隨著陽極電位的升高，陽極對陰極發(fā)射的電子的收集作用越強，光 電流隨之上升：當(dāng)陽極電壓高到一定程度，已把陰極發(fā)射的光電子幾乎全收集到陽極，再增加Uak 時I不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流Im的大小與入射光的強度P成正比。光子的能

17、量hvzA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(yīng)的最低頻率（截 止頻率）是Vo=A/h。此式表明截止電壓Uo是頻率v的線性函數(shù)，直線斜率卜斗左，只要用實驗方法得出不同的頻率 對應(yīng)的截止電壓，求出直線斜率，就可算出普朗克常數(shù)h。愛因斯坦的光量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。2、影響準(zhǔn)確測量截止電壓的因素測量普朗克參數(shù)h的關(guān)鍵是正確的測出截止電壓U。，但實際上由于光電管制作工藝等原因，給準(zhǔn)確測定截止電壓帶來了一定的困難。暗電流，本底電流和反向電流是對測量產(chǎn)生影響的主要因素。（1）在無光照時，也會產(chǎn)生電流，稱之為暗電流。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

18、管在外加電壓下因管子陰極和陽極間絕緣電阻漏電而產(chǎn)生的漏電流兩部分 組成。（2）本底電流是周圍雜散光進(jìn)入光電管所致。（3）反向電流是由于制作光電管時陽極上往往濺有陰極材料，所以當(dāng)光照射到陽極上和雜散光漫 射到陽極上時，陽極上往往有光電子發(fā)射：此外，陰極發(fā)射的光電子也可能被陽極的表而反射。當(dāng) 陽極A為負(fù)電勢，陰極K為正電勢時，對陰極K上發(fā)射的光電子而言起減速作用，而對陽極A發(fā) 射或反射的光電子而言卻起了加速作用，使陽極A發(fā)射出的光電子也到達(dá)陰極K,形成反向電流。由于上述原因，實測的光電光伏安特性曲線與理想曲線有區(qū)別。暗電流實驗儀器ZKY-GD-3光電效應(yīng)實驗儀。儀器由汞燈及電源，濾色片，光闌，光電

19、管、測試儀（含光電管電 源和微電流放大器）構(gòu)成，儀器結(jié)構(gòu)如圖5所示，測試儀的調(diào)行面板如圖6所示。1汞燈電源2汞燈3濾色片4光闌5光電管6基座7實驗儀圖7儀器結(jié)構(gòu)示意圖姍儺H光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實驗儀電流量程CA；詢竽/測fit切換 電源調(diào)等L也壓調(diào)節(jié)I察成都址紀(jì)中科儀巖尚限公司汞燈：可用譜線 365. Onm、404. 7nm、435. 8nm> 546. lnm> 577. Onm 579. Onm濾色片：5 片，透射波長 365. 0 nm、404. 7 nm、435. 8 nm、546. 1 nm> 577. Onm光闌：3片，直徑2mm、4mm、8mm光電管：陽極為

20、鑲?cè)?陰極為銀-氧-鉀(Ag-0-K),光譜響應(yīng)圍3207OOnm,暗電流：I W2X 1Oi2A (-2VWUakW0V)光電管電源：2檔，一20Y, 2+ 30V,三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度WO,1與微電流放大器：6檔，1(T10r,分辨率l(rA,三位半數(shù)顯,穩(wěn)定度W0.2%實驗容及步驟(1)測試前準(zhǔn)備將測試儀及汞燈電源接通，預(yù)熱20分鐘。把汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上，將汞燈暗盒光輸出口對準(zhǔn)光電管暗盒光輸入口，調(diào)整光電管與 汞燈距離為約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試儀電壓輸出端(后面板上)連接起來(紅一紅，藍(lán) 一藍(lán))o調(diào)零：將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位，儀器在

21、充分預(yù)熱后，進(jìn)行測試前調(diào)零。調(diào)零時， 將“調(diào)零/測量”切換開關(guān)切換到“調(diào)零”檔位,旋轉(zhuǎn)“電流調(diào)零”旋鈕使電流指示為“000”。調(diào)節(jié) 好后，將“調(diào)零/測量”切換開關(guān)切換到“測試”檔位，就可以進(jìn)行實驗了。注意：在進(jìn)行每一組實驗前，必須按照上面的調(diào)零方法進(jìn)行調(diào)零，否則會影響實(2)測普朗克常數(shù)h問題討論：理論上，測出各頻率的光照射下陰極電流為零時對應(yīng)的Uw其絕對值即該頻率的截止電壓，然 而實際上由于光電管的陽極反向電流，暗電流，本底電流及極間接觸電位差的影響，實測電流并非 陰極電流，實測電流為零時對應(yīng)的耳也并非截止電壓。光電管制作過程中陽極往往被污染，沾上少許陰極材料，入射光照射陽極或入射光從陰極反

22、射 到陽極之后都會造成陽極光電子發(fā)射，Uak為負(fù)值時，陽極發(fā)射的電子向陰極遷移構(gòu)成了陽極反向電 流。作,暗電流和本底電流是熱激發(fā)產(chǎn)生的光電流與雜散光照射光電管產(chǎn)生的光電流，可以在光電管制 或測量過程中采取適當(dāng)措施以減小或消除他們的影響。極間接觸電位差與入射光頻率無關(guān)，只影響U。的準(zhǔn)確性，不影響K一v直線斜率，對測定h無影 響。此外，由于截止電壓是光電流為零時對應(yīng)的電壓，若電流放大器靈敏度不夠，或穩(wěn)定性不好，都 會給測量帶來較大誤差。本實驗儀器的電流放大器靈敏度高，穩(wěn)定性好。本實驗儀器采用了新型結(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極，由陰極反射照 到陽極的光也很少，加上采用新型的陰、

23、陽極材料及制造工藝，使得陽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，在測量各譜線的截止電壓U。時，可不用難于操作的“拐點法”，而用“零電 流法”或“補償法”。零電流法是直接將各譜線照射下測得的電流為零時對應(yīng)的電壓&的絕對值作為截止電壓loo此 法的前提是陽極反向電流、暗電流和本底電流都很小，用零電流法測得的截止電壓與真實值相差很小。 且各譜線的截止電壓都相差A(yù)U對Li-v曲線的斜率無大的影響，因此對h的測量不會產(chǎn)生大的影響。補償法是調(diào)W電壓U也使電流為零后，保持ILx不變，遮擋汞燈光源，此時測得的電流L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)行

24、電壓員使電流值至L,將此時對 應(yīng)的電壓辦的絕對值作為截止電壓U。此法可補償暗電流和本底電流對測量結(jié)果的影響。測量：將電壓選擇按鍵置于-2 V0V檔；將儀器按照前而方法調(diào)零；將直徑4mm的光闌及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”或“補償法”測量該波長對應(yīng)的U。，并將數(shù)據(jù)記于表一中。依次換上404.7 nm, 435.8 nm, 546. Inm, 577.0 nm的濾色片，重復(fù)以上測量步驟。表一、Uov關(guān)系光闌孔中二mm波長1 (nm)365.0404. 7435.8546. 1577.0頻率 v,(X10”Hz)8.2147. 4086

25、. 8795. 4905. 196截止電壓Us (V)數(shù)據(jù)處理：可用以下三種方法之一處理表一的實驗數(shù)據(jù)，得出Uo- v直線的斜率koa.根據(jù)線性回歸理論,U。一 v直線的斜率k的最佳擬合值為：一百F 其中：72 -v21 nv = Zv,表示頻率V的平均值n uiT1 11 )V2 =L?vr.-表示頻率V的平方的平均值n(-1 1 nU。=表示截止電壓U。的平均值n /-1 JLvU0= 表示頻率v與截止電壓的乘積的平均值b.根據(jù)k="2 =熱=幺曳，可用逐差法從表三的四組數(shù)據(jù)中求出兩個k,將其平均值作為所 Av vm-vn求K的數(shù)值。c.可用表三數(shù)據(jù)在座標(biāo)紙上作U。一 v直線，由圖求出直線斜率鼠h - h 求出直線斜率K后，可用h=ek求出普朗克常數(shù)，并與h的公認(rèn)值ho比較求出相對誤差E=匕, 卅式中 6 = 1.602x1()7