光電效應(yīng)講義

1、實(shí)驗(yàn)三 光電效應(yīng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 加深對光的量子性的認(rèn)識。2. 驗(yàn)證愛因斯坦方程，測定普朗克常數(shù)。3. 測定光電管的伏安特性曲線?！緦?shí)驗(yàn)原理】 當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬外表上時(shí)，可以使電子從金屬外表逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)所產(chǎn)生的電子，稱為光電子。光電效應(yīng)是光的經(jīng)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(shè)，提出了光子的概念。他認(rèn)為光是一種微粒 光子；頻率為n 的光子具有能量hn，h為普朗克常數(shù)，目前國際公認(rèn)值為h =(66260755±00000040)×10-34J·s。當(dāng)金屬中的電子吸收一個(gè)頻率為n 的光子時(shí)，便獲得這光子的全部能量h

2、n，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)6上式稱為愛因斯坦方程，其中m和vm 是光電子的質(zhì)量和最大速度，是光電子逸出外表后所具有的最大動能它說明光子能量hn小于W時(shí)，電子不能逸出金屬外表，因而沒有光電效應(yīng)產(chǎn)生；產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光最低頻率n0=Wh ，稱為光電效應(yīng)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n0也是不同的。用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，測量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理如圖3.1所示。圖中K為圖3.1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖光電管的陰極，A為陽極，微安表用于測量微小的光電流，電壓表用于測量光電管兩極間的電壓，E為電

3、源，R提供的分壓可以改變光電管兩極間的電勢差。當(dāng)單色光入射到光電管的陰極K上時(shí)，如有光電子逸出，那么當(dāng)陽極A加正電勢，K加負(fù)電勢時(shí)，光電子就被加速；而當(dāng)K加正電勢，A加負(fù)電勢時(shí)，光電子就被減速。當(dāng)A、K之間所加電壓U足夠大時(shí)，光電流到達(dá)飽和值Im ,當(dāng)U-U0，并滿足方程 eU0 = (3.2)時(shí)，光電流將為零，此時(shí)的U0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(guān)系如圖3.2所示。當(dāng)用一定強(qiáng)度的光照射在光電管陰極K上時(shí)，光電流I隨兩極間的加速電壓改變而改變，開始光電流I隨兩極間的加速電壓增加而增加，當(dāng)加速電壓增加到一定值后，光電流不再增加這是因?yàn)樵谝欢ㄕ斩认?/p>

4、，單位時(shí)間 圖3.2光電管的伏安特性曲線 圖3.3截止電壓U0 是入射光頻率n 的線性關(guān)系圖線內(nèi)所產(chǎn)生的光電子數(shù)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(dá)飽和。我們稱此時(shí)的電流為飽和電流Im 。由于光電子從陰極外表逸出時(shí)具有一定的初速度，所以當(dāng)兩極間電勢差為零時(shí)，仍有光電流I存在。假設(shè)在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減??；當(dāng)反向電壓到達(dá)截止電壓U0時(shí)，光電流為零。將式(3.2)代人式(3.1)可得eU0 = hn - W即 U0 = (3.3)上式說明，截止電壓U0 是入射光頻率n 的線性函數(shù)，其直線的斜率等于he ?？梢姡灰脤?shí)驗(yàn)方法，測量不同頻率光的截止電壓，作出U0

5、 n 圖線，如圖3.3所示。從圖中求得直線的斜率，即可求出普朗克常數(shù)h。另外，從直線和橫坐標(biāo)的交點(diǎn)還可求出極限頻率n0。 因此，由光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù)h的關(guān)鍵是正確地測定截止電壓U0 。需要指出的是，實(shí)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(chǎn)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(shí)，也會產(chǎn)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(chǎn)生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(shí)陽極上往往濺有陰極材料，所以當(dāng)光照

6、到陽極上或雜散光漫射到陽極上時(shí)，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(dāng)陽極A加負(fù)電勢，陰極K加正電勢時(shí)，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(dá)陰極K，形成反向電流。由于上述種種原因，實(shí)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(shí)線表示實(shí)測曲線，虛線表示理想曲線即陰極光電流曲線，點(diǎn)劃線代表影響較大的反向電流及暗電流曲線。實(shí)測曲線上每一點(diǎn)的電流值是以上三個(gè)電流值的代數(shù)和。顯然，實(shí)測曲線上光電流I為零的點(diǎn)所對應(yīng)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

7、流和暗電流)的存在，使陰極光電流曲線下移，實(shí)測曲線的拐點(diǎn)(或稱抬頭點(diǎn))處的電壓值與截止電壓近似相等，圖3.4對光電流曲線的分析可代替截止電壓。因此，光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是通過找出實(shí)驗(yàn)伏安特性曲線的拐點(diǎn)來確定截止電壓U0的?！緝x器介紹】1. GDH型光電管：陽極為鎳圈，陰極為銀氧-鉀(Ag-O-K)，光譜范圍34O07000nm光窗口為無鉛多硼硅玻璃，最高靈敏波長是4100±100nm，陰極光靈敏度為1 A/Lm ，暗電流為10-12A。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(zhì)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302.3872

8、.0 nm。3. 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-型微電流測量放大器：電流測量范圍為10-6 10-13 A，分六檔十進(jìn)變換；工作電源為-3 +3V連續(xù)可調(diào)，電壓量程分0V±1V±2V±3V六段讀數(shù)，讀數(shù)精度002V。測量放大器可以連續(xù)地工作8小時(shí)以上。圖3.5光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 測試前的準(zhǔn)備 (1)將光源、光電管暗盒、微電流測量放大器安放在適當(dāng)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

9、流測量放大器面板上各開關(guān)、旋鈕置于以下位置： “倍率開關(guān)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(diào)節(jié)反時(shí)針調(diào)到頭。 (2)翻開微電流測量放大器電源開關(guān)讓其預(yù)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(guān)，讓汞燈預(yù)熱。2. 測量光電管的I U特性(1) 使暗盒離開光源30 50cm，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 =365 nm的濾色片。將倍率旋鈕置于“10-7檔，此時(shí)光電流大小應(yīng)在此量程范圍內(nèi)注意，光電管暗盒正對汞燈時(shí)，電流最小。(3) 選擇適宜的電流和

10、電壓量程，測出-3 3V時(shí)不同電壓下的光電流。測量時(shí)，-3 0V時(shí)每0.1V測一個(gè)點(diǎn)，0V以上可加大間隔。3. 測量光電管拐點(diǎn)和本底電流。(1) 依次調(diào)換不同波長的濾色片，重復(fù)上面的測量，只測-3 0V時(shí)的光電流，每0.1V測一個(gè)點(diǎn)。(2) 擋住汞燈出光口，測量0V時(shí)光電管的本底電流每個(gè)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(shí)光電管的暗電流。5. 求普朗克常數(shù)h 把不同頻率下的截止電壓描繪在方格紙上，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，那么U0 =f ()關(guān)系曲線是一直線，求出直線的斜率，從而可算出普朗克常數(shù)h，并將結(jié)果與公認(rèn)值比擬，求出百分誤差。 【考前須知】1. 在數(shù)據(jù)表格后加拐點(diǎn)及本底電流數(shù)據(jù)表365nm的本底電流記在IV表中。電壓V-3.0-2.9-2.8-2.7-2.6-2.5-2.4-2.3-2.2-2.1-2.0405nm436nm546nm577nm電壓V-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2-1.1-1.0-0.9405nm436nm546nm577nm電壓V-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10本底405nm436nm546nm5