光電效應講義

1、光電效應講義實驗三 光電效應【實驗目的】1. 加深對光的量子性的認識。2. 驗證愛因斯坦方程，測定普朗克常數3. 測定光電管的伏安特性曲線。【實驗原理】當一定頻率的光照射到某些金屬外表上時，可以使電子從金屬外表逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效 應.所產生的電子，稱為光電子。光電效應是光 的經典電磁理論所不能解釋的。1905年愛因斯坦 依照普朗克的量子假設，提出了光子的概念。他認 為光是一種微粒一光子；頻率為的光子具有能 量h , h為普朗克常數，目前國際公認值為h =(6 . 6260755 ± 0. 0000040) X 10-34 J s。當 金屬中的電子吸收一個頻率為的光子時，便獲得這

2、光子的全部能量h，如果這能量大于電子擺脫金 屬外表的約束所需要的逸出功 W,電子就會從金屬中逸出.按照能量守恒原理有:(3.1)2mv m W2上式稱為愛因斯坦方程， 其中m和Vm是光電子 的質量和最大速度，-mvm2是光電子逸出2外表后所具有的最大動能.它說明光子能量h 小于W時，電子不能逸 出金屬外表，因而沒有 光電效應產生；產生光 電效應的入射光最低頻 率=W / h，稱為光電 效應的極限頻率又稱 紅限。不同的金屬材 料有不同的逸出功，因 而也是不同的。用光電管進行光電 效應實驗，測量普朗克常數的實驗原理如圖3.1所示。圖中K為圖3.1光電效應實驗原理圖光電管的陰極，A為陽極，微安表用于

3、測量微小的 光電流，電壓表用于測量光電管兩極間的電壓，E為電源，R提供的分壓可以改變光電管兩極間的電 勢差。當單色光入射到光電管的陰極 K上時，如有 光電子逸出，那么當陽極 A加正電勢，K加負 電勢時，光電子就被加速；而當K加正電勢，A加負電勢時，光電子就被減速。當A、K之間所加電壓U足夠大時，光電流到達飽和值I m ,當U< -Uo，并滿足方程(3.1eU 0 _mvm22時，光電流將為零，此時的Uo稱為截止電壓。式中e為電子電量。光電管的伏安特性曲線光電流與所加電壓的I U關系如圖3.2所示。當用一定強度的光 照射在光電管陰極K上時，光電流I隨兩極間的加 速電壓改變而改變，開始光電流

4、I隨兩極間的加速 電壓增加而增加，當加速電壓增加到一定值后，光 電流不再增加.這是因為在一定照度下，單位時間11圖3.3截止電壓 Uo是入射光頻率的線性關系圖線圖3.2光電管的伏安特性曲線內所產生的光電子數目一定，而且這些電子在電場的作用下已全都跑向陽極 A，從而到達飽和。我 們稱此時的電流為飽和電流I m。由于光電子從陰極外表逸出時具有一定的初速度，所以當兩極間 電勢差為零時，仍有光電流I存在。假設在兩極間施 加一反向電壓，光電流隨之減??；當反向電壓到達 截止電壓Uo時，光電流為零。將式(3.2)代人式(3.1)可得eU。= hW即U0 w ho(3.3)e e e上式說明，截止電壓 Uo是

5、入射光頻率 的線性函數， 其直線的斜率等于 h/e?？梢姡灰脤嶒灧椒?， 測量不同頻率光的截止電壓，作出Uo 圖線，如圖3.3所示。從圖中求得直線的斜率 勺,e即可求出普朗克常數h。另外，從直線和橫坐標 的交點還可求出極限頻率 。因此，由光電效應測定普朗克常數 h的關鍵是 正確地測定截止電壓Uo。需要指出的是， 實際的 光電管由于制作工藝等原因，給測定截止電壓帶來 一些困難。對測量產生影響的主要因素如下：(1)暗電流和本底電流光電管在沒有受到光照時，也會產生電流， 稱為暗電流。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生

6、的 漏電流兩局部組成。本底電流是周圍雜散光射入 光電管所致。( 2) 反向電流由于制作光電管時陽極上往往濺有陰極材料， 所以當光照到陽極上或雜散光漫射到陽極上時， 陽極上也往往有光電子發(fā)射；此外，陰極發(fā)射的 光電子也可能被陽極的外表所反射。當陽極 A 加負電勢，陰極 K 加正電勢時，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)出的光 電子也到達陰極 K ，形成反向電流。由于上述種種原因，實測的光電管伏安特性(I U)曲線與理想曲線是有區(qū)別的。圖 3.4 中實線表示實測 線。實測曲線上每一點曲 線，虛線表示理想曲 的電流值是以上

7、三個電 線即陰極光電流曲線， 流值的代數和。顯然，點劃 線代表影響較大的 實測曲線上光電流 I 為反向電流 及暗電流曲 零的點所對應的電壓值并不是截止電壓。從圖 3.4可看出，陽極光電 流即反向電流和暗電 流的存在，使陰極光電 流曲線下移，實測曲線的 拐點或稱抬頭點處的電壓值與截止電壓 近似相等， 可代替截止電壓。因此，光電效應實驗是通過找出實驗伏安特性曲線的拐點來確定截止電壓U0的?！緝x器介紹】1. GDH I型光電管：陽極為鎳圈，陰極為銀一氧-鉀Ag-0-K，光譜范圍 340 . 0700 . 0nm光窗口為無鉛多硼硅玻璃，最高靈敏波長是410 . 0 ± 10 . 0nm，陰極

8、光靈敏度為 1卩A/Lm , 暗電流為10-12 A。為了防止雜散光和外界電磁場對微弱光電流的干擾，光電管安裝在可升降 的鋁質暗盒中，暗盒窗口可以安放光闌孔和濾 色片。2. 光源：高壓汞燈，譜線范圍在 302.3 872.0 nm3. NG型濾色片：一組有色玻璃濾色片。濾通的譜線波長分別為 365 nm，404 nm，436 nm，546 nm，577 nm 。4. GP- H型微電流測量放大器：電流測量范圍為10-610 -13 A，分六檔十進變換；工作電源為 -3+3V連續(xù)可調，電壓量程分 0V土 1V ± 2V土 3V六段讀數，讀數精度0 . 02V。測 量放大器可以連續(xù)地工作

9、8小時以上。丄卜.一 -J tEZZ3圖3.5光電效應實驗裝置示意圖【實驗內容】1. 測試前的準備(1) 將光源、光電管暗盒、微電流測量放大器安放在適當位置，連接好光電管暗盒與測量放 大器之間的屏蔽電纜、地線和陽極電源線。參見 圖 3.5 和圖 3.6 。將微電流測量放大器面板上各 開關、旋鈕置于以下位置：“倍率開關置“ ZERO ；“電流極性 置 “- ；“工作選擇置“ DC ；“掃描平移任 意； “電壓極性置“ - ；“電壓量程置“ - 3 ；“電壓調節(jié)反時針調到頭。(2) 翻開微電流測量放大器電源開關讓其預 熱 20-30 分鐘。在光電管暗盒的光窗上裝 光闌；并蓋上遮光罩，翻開光源開關，

10、讓汞燈預 熱。2. 測量光電管的 I U 特性(1) 使暗盒離開光源3050 cm，根本等高， 暗盒窗口正對光源出射孔。(2) 取去暗盒窗口上的遮光罩，換上波長入=365 nm 的濾色片。將倍率旋鈕置于“10-7檔，此時光電流大小應在此量程范圍內(注 意，光電管暗盒正對汞燈時，電流最小) 。(3) 選擇適宜的電流和電壓量程，測出 -3 3V 時不同電壓下的光電流。測量時， -3 0V 時每 0.1V 測一個點，0V 以上可加大間隔。3. 測量光電管拐點和本底電流。(1) 依次調換不同波長的濾色片，重復上面的測量，只測-30V時的光電流，每0.1V測 一個點。(2) 擋住汞燈出光口，測量0V時光

11、電管的本 底電流(每個濾色片都測)。4. 測量光電管的暗電流。用遮光罩罩住光電管暗盒，測量0V時光電管的暗電流。5. 求普朗克常數h把不同頻率下的截止電壓描繪在方格紙上，如果實驗結果準確，那么 U0 =f ( v )關系曲線是一直線， 求出直線的斜率，從而可算出普朗克常數h，并將 結果與公認值比擬，求出百分誤差?！究记绊氈?.在數據表格后加拐點及本底電流數據表(365nm 的本底電流記在I V表中)。電壓(V)-3.0-2.-92. -28!. -27-2.6-2.5-2.-42.-：32. -2210405nm436nm546nm577nm電壓98765,-1.43211. -1.09-1.-1. -1.-1.-1. -1.-1.-0.V)405nm436nm546nm577nm電壓(V)-0.3765-0.-43210.-().-0,-0.-0.-0.(0本底405nm436nm5