實驗報告材料-光電效應實驗

1、實用標準文案南昌大學物理實驗報告學生姓名：學號：專業(yè)班級：材料124 班實驗時間： 10 時 00 分 第十一周星期四座位號： 28一、 實驗名稱：光電效應二、實驗目的 :1、通過實驗深刻理解愛因斯坦的光電效應理論，了解光電效應的基本規(guī)律；2、掌握用光電管進行光電效應研究的方法；3、學習對光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測定普朗克常數(shù)。三、實驗儀器：光電效應測試儀、汞燈及電源、濾色片、光闌、光電管、測試儀四、實驗原理：1、 光電效應與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時，會有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應，從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應現(xiàn)象，愛因斯坦提

2、出了“光量子”的概念，認為 對 于頻率 為 的光 波，每個光 子的能 量為 E h，其 中h1034 Js為普朗克常數(shù)。=6.626按照愛因斯坦的理論， 光電效應的實質是當光子和電子相碰撞時， 光子把全部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對它的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動能。愛因斯坦提出了著名的光電方程：h1 m 2 W（ 1）2式中， 為入射光的頻率， m 為電子的質量，為光電子逸出金屬表面的初速度，W 為被光線照射的金屬材料的逸出功，1/2 mv2為從金屬逸出的光電子的最大初動能。由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能必然也越大

3、，所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電位低時也會有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時，所有光電子都不能到達陽極，光電流才為零。這個相對于陰極為負值的陽極電位U0被稱為光電效應的截止電壓。顯然，有eu 0-1/2mv 2=0（2）代入上式即有heU0W（3）由上式可知，若光電子能量 h+W，則不能產(chǎn)生光電子。 產(chǎn)生光電效應的最低頻率是0=W/h，通常稱為光電效應的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而0也不同。由于光的強弱決定于光量子的數(shù)量， 所以光電流與入射光的強度成正比。又因為一個電子只能吸收一個精彩文檔實用標準文案光子的能量，所以光電子獲得的能

4、量與光強無關，只與光子的頻率成正比，將（ 3）式改寫為U 0hWh (0 )eee上式表明 ,截止電壓 U 0 是入射光頻率 的線性函數(shù)，如圖 2，當入射光的頻率= 0時，截止電壓 U 00 ，沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率k=h/e 是一個正的常數(shù)：h ek（5）由此可見，只要用實驗方法作出不同頻率下的U0 -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 e 1.6010 19 C 是電子的電量。1. 光電效應的伏安特性曲線圖 3是利用光電管進行光電效應實驗的原理圖。頻率為、強度為 P 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

5、向電壓U AK，它使 、K A之間建立起的電場對從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓U AK 的增加，到達陽極的光電子將逐漸增多。當正向電壓 U AK 增加到 U m 時，光電流達到最大，不再增加，此時即稱為飽和狀態(tài)，對應的光電流即稱為飽和光電流。由于光電子從陰極表面逸出時具有一定的初速度，所以當兩極間電位差為零時，仍有光電流 I 存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當反向電壓達到截止電壓時，光電流為零。圖4 入射光頻率不同的 I U曲線圖5 入射光強度不同的 I U曲線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)下導出的。實際上做陰極的金屬逸出功比作陽極的金

6、屬逸出功小，所以實驗中存在著如下問題：暗電流和本底電流。當光電管陰極沒有受到光線照射時也會產(chǎn)生電子流，稱為暗電流。它是由電子的熱運動和光電管管殼漏電等原因造成的。室內(nèi)各種漫反射光射入光電管造成的光電流稱為本底電流。暗電流和本底電流隨著 K、A之間電壓大小變化而變化。陽極電流。制作光電管陰極時，陽極上也會被濺射有陰極材料，所以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，使得實際 I U曲線較理論曲線下移，如圖 6。精彩文檔實用標準文案圖6 伏安特性曲線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(chǎn)生，與陰極正向光電流相比，其值很小，且基本上隨

7、電位差 U呈線性變化，因此可忽略其對遏止電位差的影響。陽極反向電流雖然在實驗中較顯著，但它服從一定規(guī)律。因此，確定遏止電位差值可采用以下兩種方法： 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 5十分接近， 因此曲線與 U軸交點的電位差值近似等于遏止電位差 U0，此即本實驗采用的交點法（或零電流法） 。 拐點法光電管陽極反向電流雖然較大，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

8、6中虛線所示的理論曲線下移為實線所示的實測曲線，遏止電位差 U0也下移到 U 0點。因此測出 U 0點即測出了理論值U0。五、實驗內(nèi)容及步驟：1、調(diào)整儀器(1) 連接儀器；接好電源，打開電源開關，充分預熱（不少于20 分鐘）。(2) 在測量電路連接完畢后，沒有給測量信號時，旋轉“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、測量普朗克常數(shù)h（1） 將電壓選擇按鍵開關置于2 2V檔，將“電流量程”選擇開關置于A檔。將測試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上。精彩文檔實用標準文案

9、（2） 將直徑為 4mm的光闌和 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”測量該波長對應的U 0 ，并數(shù)據(jù)記錄。（4） 依次換上 405nm、436nm、546nm、577nm的濾色片，重復步驟（1）、（2）、（3）。(5) 測量三組數(shù)據(jù) , 然后對 h 求平均值。3、測量光電管的伏案特性曲線：(1) 暗盒光窗口裝 365nm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 577nm濾光片，仍用 4mm的光闌，重復步驟（

10、 1）。(3) 選擇合適的坐標，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線UI 。4、探究飽和電流與光通量、光強的關系控制電壓 U=30.0V,波長為 365nm,L=400nm時，記錄光闌孔分別為2、 4、 8 時的電流。控制電壓 U=30.0V, 波長為 365nm,光闌孔為 2nm時，記錄距離 L 分別為 300nm、350nm、400mm時的電流。六、數(shù)據(jù)記錄與處理：表一 UV關系波長 (nm)365405436546577頻率 V(1014HZ)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓 U(V)-1.815-1.498-1.303-0.732-0.603B1#0l024

11、6810tX Axis TitleeiTs-1ixAY-2-3計算普朗克常量 :當利用不同頻率 的單色光分別作光源時 ,可以測出不同頻率下的遏止電位 U a。作出 U a與的曲線 ,測曲線的斜率 K 為K = h /e =U/ v便可求出普朗克常數(shù) h。K= U/ v=0.401610-14-19-14=6.433-34J Sh=ek=1.1602 100.4016 1010精彩文檔實用標準文案表二I-UAK 關系光闌孔 ：4mm波長 ： 577nmUAK(V)-2.0-0.301.02.03.04.05.06.07.08.09.0I(10 -10 A)0026810121314151618U

12、AK(V)10.011.012.014.016.018.020.022.024.026.028.030.0I(10 -10 A)192022242527283031323334光闌孔 ： 4nm波長 ： 365nmUAK(V)-1.5-0.50123456789I(10 -10A)069172738506273828895U (V)101112131415182124262830AKI(10 -10A)102110117124132137153170186195203215tleiTsxiAYB#200150100500-303691215182124273033X Axis Title表三 IMP 關系U =30.0V波長 ：365nm L=400nmAK光闌孔 （nm）248I(10 -10A)67217805表四I ML 關系UAK=30.0V波長 ：365nm光闌孔 ：2nm精彩文檔實用標準文案距離 L(mm)300350400-1047