GD-3光電效應(yīng)普朗克常數(shù)實驗儀實驗指導(dǎo)及操作說明書_2011-10-20

1、ZKY-GD-3光電效應(yīng)(普朗克常數(shù))實驗儀實驗指導(dǎo)及操作說明書成 都 世 紀 中 科 儀 器 有 限 公 司地址：成都市人民南路四段九號中科院成都分院 郵編：610041電話：（028）85247006 85243932 傳真：（028）85247006網(wǎng)址；WWW.ZKY.Cn E-mail: ZKYZKY.Cn 世紀中科 第9頁ZKY-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： 電流測量范圍：10-810-13 A，分6檔。 零漂：開機20分鐘后，30分鐘內(nèi)不大于滿度讀數(shù)的±0.2%（10-13A檔）2光電管工作電源：電壓調(diào)節(jié)范圍：-20V, -2+30V,

2、分2檔，三位半數(shù)顯。 穩(wěn)定度0.1%3光電管： 光譜響應(yīng)范圍：300700nm 最小陰極靈敏度1µA/Lm陽極： 鎳圈 暗電流：I2×10-12 A（-2VUAK0V）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365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nmZKY-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

3、到高靈敏度（10-8-10-13 A分6擋，），高穩(wěn)定性（零漂小于滿刻度0.2%），使測量準確度大大提高。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濾色片。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U0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

4、射下測得的電流為零時對應(yīng)的電壓UAK作為截止電壓U0。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U對U0-n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UAK使電流為零后，保持UAK不變，遮擋汞燈光源，此時測得的電流I1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)節(jié)電壓UAK使電流值至I1，將此時對應(yīng)的電壓UAK作為截止電壓U0。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U0的測量快速，重復(fù)性好，而且據(jù)此計

5、算出的h誤差小于5%。光電效應(yīng)和普朗克常數(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面逸出的現(xiàn)象。光電效應(yīng)實驗對于認識光的本質(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，研究光的反射，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，認為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來，在均勻物質(zhì)內(nèi)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?；莞沟热嗽?7世紀就提出了光的波動學(xué)說，認為光是以波的方式產(chǎn)

6、生和傳播的，但早期的波動理論缺乏數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，很不完善，沒有得到重視。19世紀初，托馬斯.楊發(fā)展了惠更斯的波動理論，成功的解釋了干涉現(xiàn)象，并提出了著名的楊氏雙縫干涉實驗，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世紀末，物

7、理學(xué)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，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)負電極在光的照射下會放出帶負電的粒子，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

8、極在光照射下發(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，與光波頻率無

9、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，包括勒納德在內(nèi)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，普朗克在研究黑體輻射問題時，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，他采用了玻爾茲曼的統(tǒng)計方法，假定黑體內(nèi)的能量是由不連續(xù)的能量子構(gòu)成，能量子的能量為hn。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人當(dāng)時對

10、這一點都沒有充分認識。愛因斯坦以他驚人的洞察力，最先認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于與經(jīng)典電磁理論抵觸，

11、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，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范圍內(nèi)精確有效的第一次直接實驗證據(jù)，并

12、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，人們逐步認識到光具有波動和粒子二象屬性。光子的能量E=hn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，使人們對客觀世界的認識前進了一大步。實驗?zāi)康?/p>

13、1 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。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)系如圖3所示。從圖中可見，對一定的頻率，有一電壓U0

14、，當(dāng)UAKU0時，電流為零，這個相對于陰極的負值的陽極電壓 U0，被稱為截止電壓。 （2）當(dāng)UAKU0 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U0與頻率n 的關(guān)系圖如圖5所示。U0與n 成正比關(guān)系。當(dāng)入射光頻率低于某極限值n0（n0 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n0，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109秒的數(shù)量級。n1n2n0n圖2實驗原理圖圖3同一頻率,不

15、同光強時光電管的伏安特性曲線圖4不同頻率時光電管的伏安特性曲線圖5截止電壓U0與入射光頻率n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）的概念，頻率為n的光子具有能量E=hn，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面對它的吸引力，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)方程： （1）式中，A為金屬的逸出功，為光電子獲得的初始動能，為最大速度，m為光電子的質(zhì)量，

16、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： eU0 （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。光子的能量hn0 <A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n0 =A/h。將（2）式代入（

17、1）式可得： eU0 =hnA （3）此式表明截止電壓U0是頻率n的線性函數(shù)，直線斜率k=h/e，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U0，但實際上由于光電管制作工藝等原因，給準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

18、成。（2）本底電流是周圍雜散光進入光電管所致。（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面反射。當(dāng)陽極A為負電勢，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)射岀的光電子也到達陰極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。圖6 光電流曲線分析實驗儀器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

19、5所示，測試儀的調(diào)節(jié)面板如圖6所示。實驗儀 1 2 3 4 5 6 7圖7 儀器結(jié)構(gòu)示意圖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6 儀器前面板示意圖汞燈：可用譜線365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm濾色片：5片, 透射波長365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0nm 光闌：3片，直徑 2mm、4mm、8mm光電管：陽極為鎳圈，陰極為銀-氧-鉀（Ag-O-K），光譜響應(yīng)范圍 320 700nm，暗電流：I 2×10-12A（-2 VUAK0 V）光電管電源：2

20、檔，20V，230V，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度0.1%微電流放大器：6檔，10-810-13A，分辨率10-13A，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度0.2%實驗內(nèi)容及步驟（1）測試前準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（紅紅，藍藍）。調(diào)零：將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位，儀器在充分預(yù)熱后，進行測試前調(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/

21、測量”切換開關(guān)切換到“測試”檔位，就可以進行實驗了。注意：在進行每一組實驗前， 必須按照上面的調(diào)零方法進行調(diào)零，否則會影響實驗精度。（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UAK，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UAK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射到陽極之后都會造成陽極光電子發(fā)射，UAK為負值時，陽極發(fā)射的電子向陰極遷移構(gòu)成了陽極反向電流。暗電流和本底電流是熱激發(fā)產(chǎn)生的光電流與

22、雜散光照射光電管產(chǎn)生的光電流，可以在光電管制作，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U0的準確性，不影響U0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、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U0時，可不用難于操作的“拐點法”，而用“零

23、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UAK的絕對值作為截止電壓U0。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U對U0-n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UAK使電流為零后，保持UAK不變，遮擋汞燈光源，此時測得的電流I1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)節(jié)電壓UAK使電流值至I1，將此時對應(yīng)的電壓UAK的絕對值作為截止電壓U0。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 V0 V檔；

24、將儀器按照前面方法調(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U0，并將數(shù)據(jù)記于表一中。依次換上404.7 nm，435.8 nm，546.1nm，577.0 nm的濾色片，重復(fù)以上測量步驟。表一、U0關(guān)系 光闌孔= mm波長i(nm)365.0404.7435.8546.1577.0頻率i(×1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U0i(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U0直線的斜率k。a.根據(jù)線性回歸理論, U0直線的斜率k的最佳擬合值為: 其中： 表示頻率的平均值 表示頻率的平方的平均值 表示截止電壓UO的平均值 表示頻率與截止電壓U0的乘積的平均值b.根據(jù)k=，可用逐差法從表三的四組數(shù)據(jù)中求出兩個k，將其平均值作為所求K的數(shù)值。c.可用表三數(shù)據(jù)在座標紙上作U0直線，由圖求出直線斜率k。求出直線斜率K后，可用h=ek求出普朗克常數(shù)，并與h的公認值hO比較求出相對誤差 ，式中 ，。（3）測光電管的伏安特性曲線：將電壓選擇按鍵置于-2 V+30 V檔；選擇合適的“電流量程”檔位（建議選擇10-11A檔）；將儀器按照前面方法調(diào)零。將直徑2mm,的光闌及4