光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)講義

1、光電效應(yīng)法測(cè)定普朗克常數(shù)一、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用背景介紹光電效應(yīng)是指一定頻率的光照射在金屬外表時(shí)會(huì)有電子從金屬外表逸出的現(xiàn)象。1887年物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電磁波的存在時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，但是這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法用當(dāng)時(shí)人們所熟知的電磁波理論加以解釋。1905年，愛因斯坦大膽地把普朗克在進(jìn)行黑體輻射研究過程中提出的輻射能量不連續(xù)觀點(diǎn)應(yīng)用于光輻射，提出“光量子概念，從而成功地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。1916年密立根通過光電效應(yīng)對(duì)普朗克常數(shù)的精確測(cè)量，證實(shí)了愛因斯坦方程的正確性，并精確地測(cè)出了普朗克常數(shù)。愛因斯坦與密立根都因光電效應(yīng)等方面的杰出奉獻(xiàn)，分別于 1921年和1923年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)于認(rèn)識(shí)光

2、的本質(zhì)及早期量子理論的開展，具有里程碑式的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，光電效應(yīng)已廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防和許多科技領(lǐng)域。利用光電效應(yīng)制成的光電器件，如光電管、光電池、光電倍增管等，已成為生產(chǎn)和科研中不可缺少的器件。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求1、定性分析光電效應(yīng)規(guī)律，通過光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解光的量子性；2、 學(xué)習(xí)驗(yàn)證愛因斯坦光電方程的實(shí)驗(yàn)方法，并測(cè)定普朗克常數(shù)h ；3、進(jìn)一步練習(xí)利用線性回歸和作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。三、實(shí)驗(yàn)原理光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)的作用下向陽(yáng)極 A遷移構(gòu)成光電流，改變外加電壓 Zk，測(cè)量出光電 流I的大小， 即可得出光電管的

3、伏安特性曲線。同一頻率，不同光不同頻率時(shí)光電管圖4截止電壓U與入射光電效應(yīng)的根本實(shí)驗(yàn)事實(shí)如下(1) 對(duì)應(yīng)于某一頻率,光電效應(yīng)的I-Uak關(guān)系如圖2所示。從圖中可見，對(duì)一 定的頻率，有一電壓U3,當(dāng)K三Ud時(shí)，電流為零，這個(gè)相對(duì)于陰極的負(fù)值的陽(yáng)極電壓“，被稱為截止電壓。(2) 當(dāng)ZK三Ud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(qiáng)度 P 成正比。(3) 對(duì)于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖 3所示。(4) 截止電壓U3與頻率、？的關(guān)系如圖4所示，U3與成正比。當(dāng)入射光頻 率低于某 極限值0 (、. o隨不同金屬而異)時(shí)，不管光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多 長(zhǎng)，都沒有光電流

4、產(chǎn)生。(5) 光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于o,在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過的時(shí)間至多為109秒的數(shù)量級(jí)。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，分布在波陣面上，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(zhǎng))的概念， 頻率為的光子具有能量 E = h .，h為普朗克常數(shù)。當(dāng)光子照 射到金屬外表上時(shí)，一次被 金屬中的電子全部吸收， 而無需積累能量的時(shí)間。電 子把這能量的一局部用來克服金屬 外表對(duì)它的吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開金 屬外表后的動(dòng)能，按照能量守恒原理，愛 因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：1 2h m 0

5、 A(i)2式中，A為金屬的逸出功，丄m :。2為光電子獲得的初始動(dòng)能。2由該式可見，入射到金屬外表的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能越大，所以即使陽(yáng)極電位比陰極電位低時(shí)也會(huì)有電子落入陽(yáng)極形成光電流，直至陽(yáng)極電位低于截止電壓，光電流才為零，此時(shí)有關(guān)系:1 2eU。m : o(2)2陽(yáng)極電位高于截止電壓后，隨著陽(yáng)極電位的升高，陽(yáng)極對(duì)陰極發(fā)射的電子的收集作用越強(qiáng)，光電流隨之上升；當(dāng)陽(yáng)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(yáng)極，再增加 Zk時(shí)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(qiáng)度 P 成正比。光子的能量 h0A 時(shí)，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。產(chǎn)生光電效

6、應(yīng)的最低頻率 (截止頻率 )是、 0= A/h。將(2)式代入(1)式可得:eUa = h 、一 A(3)此式說明截止電壓 J是頻率.的線性函數(shù)，直線斜率 k = h/e，只要用實(shí) 驗(yàn)方法得出 不同的頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓， 求出直線斜率，就可算出普朗克常數(shù) h0愛因斯坦的光量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。四、實(shí)驗(yàn)儀器介紹光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀ZKY-GD-4由光電檢測(cè)裝置和實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)兩局部組成。光電檢測(cè)裝置包括：光電管暗盒，高壓汞燈燈箱，高壓汞燈電源和實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)主機(jī)為GD-4型光電效應(yīng)普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)儀是由微電流放大器和掃描電壓源發(fā)生器兩局部組成的整體儀器。儀器結(jié)構(gòu)如圖5所示。1汞燈電

7、源2汞燈3濾色片4光闌5光電管6基座圖5儀器結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)儀有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式， 具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)顯示采 集數(shù) 據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示采集曲線連接普通示波器，可同時(shí)顯示 5個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中存儲(chǔ)的 曲線，及 米集完成后查詢數(shù)據(jù)的功能。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作提示1測(cè)試前準(zhǔn)備：將實(shí)驗(yàn)儀及汞燈電源接通汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上，預(yù)熱 20分鐘。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箱電壓 輸入端與實(shí) 驗(yàn)儀電壓輸出端后面板上連接起來紅一紅，藍(lán)一藍(lán)。務(wù)必反復(fù)檢查，切勿連錯(cuò)！本實(shí)驗(yàn)已連接好，請(qǐng)不要更改將“電流量程選擇開關(guān)置于所選檔位，進(jìn)行測(cè)試前調(diào)零。調(diào)零時(shí)應(yīng)將光電管暗盒電流輸出端K

8、與實(shí)驗(yàn)儀微電流輸入端后面板上斷開，且必須斷開連線的實(shí)驗(yàn)儀一端。旋轉(zhuǎn)“調(diào)零 旋鈕使電流指示為 000.0。調(diào)節(jié)好后，用高頻匹 配電纜將電流輸入連 接起來，按“調(diào)零確認(rèn)/系統(tǒng)清零鍵，系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。假設(shè)要?jiǎng)討B(tài)顯示采集曲線，需將實(shí)驗(yàn)儀的“信號(hào)輸出端口接至示波器的“丫 輸入端，“同步輸出端口接至示波器的“外觸發(fā)輸入端。示波器“觸發(fā)源開關(guān)撥至“外，“ 丫衰減旋鈕撥至約“ 1V/格，“掃描時(shí)間旋鈕撥至約“ 20七/格。 此時(shí)示波器將用輪流掃描的方式顯示5個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中存儲(chǔ)的曲線，橫軸代表電壓 k，縱軸代表電流I。上，使光注意：實(shí)驗(yàn)過程中，儀器暫不使用時(shí)，均須將汞燈和光電暗箱用遮光蓋蓋電暗箱處于完全閉光狀態(tài)。

9、切忌汞燈直接照射光電管。2測(cè)普朗克常數(shù)h：測(cè)量截止電壓時(shí)，“伏安特性測(cè)試 /截止電壓測(cè)試狀態(tài)鍵應(yīng)為截止電壓測(cè)試狀態(tài)，“電流量程開關(guān)應(yīng)處于 10 r13 A檔。 手動(dòng)測(cè)量使“手動(dòng)/自動(dòng)模式鍵處于手動(dòng)模式。將直徑4mnm勺光闌及365.0nm的濾 色片裝在光電管暗盒光輸入口上，翻開汞燈遮光蓋。此時(shí)電壓表顯示3k的值，單位為伏；電流表顯示與 zk對(duì)應(yīng)的電流值I，單位為所選擇的“電流量程。用 電壓調(diào) 節(jié)鍵?、？、 、0可調(diào)節(jié)UAk的值，?、-鍵用于選擇調(diào)節(jié)位，、.鍵用于調(diào)節(jié)值的大小。從低到高調(diào)節(jié)電壓絕對(duì)值減小，觀察電流值的變化，尋找電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的小k，以其絕對(duì)值作為該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的 Uo的值，并將數(shù)據(jù)記

10、于表1中。為盡快 找到Lb的值， 調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)從高位到低位，先確定高位的值，再順次往低位調(diào)節(jié)。依次換上404.7 nm，435.8 nm，546.1 nm, 577.0 nm 的濾色片，重復(fù)以上測(cè) 量步 驟。注意：1、先安裝光闌及濾光片后翻開汞燈遮光蓋；2、更換濾光片時(shí)需蓋上汞燈遮光蓋。 自動(dòng)測(cè)量按“手動(dòng)/自動(dòng)模式鍵切換到自動(dòng)模式。此時(shí)電流表左邊的指示燈閃爍，表示系統(tǒng)處于自動(dòng)測(cè)量掃描范圍設(shè)置狀態(tài)，用電壓調(diào)節(jié)鍵可設(shè)置掃描起始和終止電壓。注：顯示區(qū)左邊設(shè)置起始電壓，右邊設(shè)置終止電壓對(duì)各條譜線，建議掃描范圍大致設(shè)置為：波長(zhǎng)365nm405nm436nm546nm577nm電壓范圍-1.90 ?-1.50

11、V-1.60 ?-1.20V-1.35 ?-0.95V-0.80 ?-0.40V-0.65 ?-0.25V實(shí)驗(yàn)儀設(shè)有5個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)可存儲(chǔ) 500組數(shù)據(jù)，由指示燈表示 其狀 態(tài)。燈亮表示該存儲(chǔ)區(qū)已存有數(shù)據(jù)，燈不亮為空存儲(chǔ)區(qū)，燈閃爍表示系統(tǒng)預(yù)選的或正在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)。設(shè)置好掃描起始和終止電壓后，按動(dòng)相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)按鍵，儀器將先去除存儲(chǔ)區(qū)原有數(shù)據(jù)，等待約30秒，然后按4mV的步長(zhǎng)自動(dòng)掃描，并顯示、存儲(chǔ)相應(yīng)的電壓、電流值。掃描完成后，儀器自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢狀態(tài)，此時(shí)查詢指示燈亮，顯示區(qū)顯示掃描起始電壓和相應(yīng)的電流值。用電壓調(diào)節(jié)鍵改變電壓值，就可查閱到在測(cè)試過程中，掃描電壓為當(dāng)前顯示值時(shí)相應(yīng)的

12、電流值。讀取電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的Lak，以其絕對(duì)值作為該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的Lo的值，并將數(shù)據(jù)記于表1中。表1 Uo v關(guān)系光闌孔=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U0i(V)手動(dòng)自動(dòng)按“查詢鍵，查詢指示燈滅，系統(tǒng)回復(fù)到掃描范圍設(shè)置狀態(tài)，可進(jìn)行下一次測(cè)量。將儀器與示波器連接，可觀察到 宀K為負(fù)值時(shí)各譜線在選定的掃描范圍 內(nèi)的伏安特性曲 線。注意：在自動(dòng)測(cè)量過程中或測(cè)量完成后，按“手動(dòng)/自動(dòng)鍵，系統(tǒng)回復(fù)到手 動(dòng)測(cè)量模式，模式轉(zhuǎn)換前工作的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)將被去除。(3) 測(cè)光電管的伏安

13、特性曲線：將“伏安特性測(cè)試/截止電壓測(cè)試 狀態(tài)鍵切換至伏安特性測(cè)試狀態(tài)?！半娏髁砍涕_關(guān)應(yīng)撥至10-10 A檔，并重新調(diào)零。將直徑 4mm的光闌及所選譜線的 濾色片裝在 光電管暗盒光輸入口上。測(cè)伏安特性曲線選用“手動(dòng)模式，測(cè)量的最大范圍為0? 50V,每隔5V記錄一組數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)要求做、兩個(gè)內(nèi)容。 將儀器設(shè)置為手動(dòng)模式，測(cè)量 3條譜線在同一光闌、同一距離下伏安飽和特性曲線，記錄數(shù)據(jù)同表2形式。 將儀器設(shè)置為手動(dòng)模式，測(cè)量某條譜線在 2、4光闌(即不同光通量)、同一距離下的伏安飽和特性曲，記錄數(shù)據(jù)同表2形式。由此可驗(yàn)證光電管飽和光電流與入射光成正比。表2 I Uak關(guān)系Uak (V)I (X 10

14、-10 A)Uak (V)I (X 10-10 A)選做內(nèi)容：當(dāng)Zk為50V時(shí)，將儀器設(shè)置為手動(dòng)模式，測(cè)量并記錄對(duì)同一譜線、同一光闌時(shí)，光電管與入射光在不同距離，女口300mm 400mm 等對(duì)應(yīng)的電流值于表3中，同樣驗(yàn)證光電管的飽和電流與入射光強(qiáng)成正比。表 3 I m p 關(guān)系 UAK = V= nm=mm入射距離LI (X 10-10 A)六、數(shù)據(jù)處理要求1將不同頻率下的截止電壓 U3 描繪在坐標(biāo)紙上，即作出 U0 - V 曲線，從而 驗(yàn)證愛 因斯坦方程。2、 用作圖法求出U3 - V直線的斜率k，利用h = ek求出普朗克常數(shù)，并算 出所測(cè) 值與公認(rèn)值之間的相對(duì)誤差。 (e = 1.602 10 J9C )3、利用線性回歸法計(jì)算普朗克常數(shù) h, 將結(jié)果與作圖法求出結(jié)果進(jìn)行比擬。4、利用表 2 中的數(shù)據(jù)，作出對(duì)應(yīng)于不同頻率及光強(qiáng)的伏安特性曲線。七、思考及課堂討論題 經(jīng)典