光電效應法測定普朗克常數

1、【實驗目的】1通過光電效應實驗了解光的量子性。2測量光電管的弱電流特性，找出不同光頻率下的截止電壓。3.驗證愛因斯坦方程，并由此求出普朗克常數?！緦嶒炘怼浚ㄔ砀攀?，電學。光學原理圖，計算公式）當光照射在物體上時，光的能量僅部分地以熱的形式為物體所吸收，而另一部分則轉換為物體中某些電子的動能，使這些電子逸出物體表面。這種現象稱為光電效應。光電效應顯示出光的粒子性，所以深入觀察光電效應現象，對認識光的本性具有極其重要的意義。1905年愛因斯坦為了解釋光電效應現象而提出了'光量子”假說，即頻率為v的光子其能量為hv.當電子吸收了光子能量之后，一部分消耗于電子的逸出功w,另一部分轉換為電子

2、的動能mv2,即A"1. 實驗原理與電路光電效應的實驗裝置如圖所示，其中GD為光電管，K為光電管陰極，A為光電管陽極，為微電流計，0為電壓表，E為電源，R為滑線式電位器，調節(jié)R可以得到實驗所需的加速電位差Uak，單色光從汞類光譜中用干涉濾光片濾得,其波長分別為365.0nm,404.7nm,435.8nm,546.1nm,577.0nm。由于陽極和陰極是斷路的，無光照射陰極時，中無電流流過。用光照射陰極時，由于陰極釋放出電子而形成陰極光電流（簡稱陰極電流）。加速電位差Uak越大，陰極電流越大：5k增加到一定量值后，陰極電流不再增大而達到飽和值lH：齢的大小和照射光的強度成正比。當加速

3、電位差Uak變成負值是，陰極電流迅速減?。恢钡経ak負到一定量值時，陰極電流變?yōu)椤?”，對應的電位差稱為遏止電位差，用4專門表示。|UJ的大小與光的強度無關，而是隨照射頻率v的增大而增大。從上述實驗現象可以看到：1）飽和電流的大小與光的強度成正比。2）光電子從陰極逸出時具有初動能，其最大值等于它的反抗電場力所做的功。mv2=eUnt因為UnocV/所以初動能的人小與光的強度無關，只隨光的頻率增人而增大。Unocp的關系根據愛因斯坦公式可用下式表示，即hwUa=-v-MQQ實驗時用不同頻率的單色光照射陰極，測出相應的遏止電位差，然后作出U/A/圖。至于實際工作中如何正確地決定遏止電位差，隨使用的

4、光電管而異。2. 遏止電位差的確定如果所用的光電管對可見光較靈敏，暗電流很小，陽極包圍著陰極，即使加速電位差為負，以你發(fā)射的光電子大部分仍射到陽極；陽極的逸出功又足夠高，可見光照射時不會發(fā)射光電子，則其電流特性曲線如圖所示。圖中電流為零時的電位就是遏止電位差Ua.但在光電管制造過程中，工藝上很難做到陽極不被陰極材料所污染；這種污染在光電管使用過程中會日趨嚴重。污染后的陽極逸出功降低，從陰極來的散射光照到它時，會發(fā)射出光電子而形成陽極光電流。實驗測得的電流特性曲線，是陽極光電流和陰極光電流迭加的結果，如圖所示。由圖可見，陽極污染，實驗時出現了反向電流。特性曲線與橫軸交點的電流雖然的等于“0”但是

5、陰極光電流并不等于“0”；交點的電位差Ua也不等于遏止電位差匕。兩者之差由陰極電流上升的快慢和陽極電流的大小所決定。陰極電流上升越快，陽極電流越小，與Ua之差越小圖4-S28-4電流特性曲線圖4-S28-5丈斡測得的電淹待性曲線由于電極結構等種種原因，從圖中還可以看到，陽極電流飽和緩慢，在加速電位差負到等于Ua時，陽極電流仍未飽和，所以反相電流剛開始飽和時的拐點電位差V也不等于遏止電位差匕。兩者之差視陽極電流的飽和快慢而異。陽極電流飽和越快，兩者之差越小。若在負電壓增至Ua之前陽極電流已經飽和，則拐點的電位差就是遏止電位差Uao總而言之，對于不同的光電管應根據其電流特性曲線的不同采用不同的方法

6、去確定其遏止電位差。例如光電流特性的正向電流上升很快，反相電流很小，則可用光電流特性曲線與暗電流特性曲線交點的電位差嘰近似地當作遏止電位差ua（交點法）。若特性曲線的反向電流雖然較大，但其飽和得很快，則可用反相電流開始飽和時的拐點電位差Ua當作遏止電位差氏（拐點法）。我們用的光電管正向電流上升很快，反向電流很小，故用交點法來確定遏止電位差。用線性回歸法求得上述曲線?！緦嶒瀮x器及器材】（應寫明儀器型號、規(guī)格、精度）POII型普朗克常數測定儀。儀器主要由光源，介質膜干涉濾光片（裝在轉盤上）、物鏡、光電管以及數字顯示式微電流測試儀等組成。光源與接收暗箱二者之間的距離可根據實驗需要進行調節(jié)，其結構原理

7、圖如圖所示。m4-HZH-6n®明丸卅tk阿左化納旳障珅閣1.永燈電入恤維,2-企知3A.I.倫皿祺.6伽慨6比電竹7.“炊曲刑：希。站祈總Jt，1O.吐收MEHltBRECK2光源采用GCQ-50W儀器高壓汞燈，安裝在燈座上，并用燈罩遮住。松開燈罩底部的4個螺釘可將燈罩取下，燈罩前側面上裝有固定光欄，汞燈鎮(zhèn)流器裝在微電流測試儀內。2. ZD-II型介質膜干涉濾光片介質膜干涉濾光片的主要指標是半寬度和透過率。五塊介質膜干涉濾光片和一塊擋光片按順序安裝在轉盤上，使用時只要把所需波長干涉濾光片轉至接收暗箱的物鏡前，就可獲得該波長的單色光。3. 物鏡物鏡安裝在物鏡筒內，轉動接收暗箱前的物鏡

8、筒，可調節(jié)物鏡與光電管之間的距離，使汞燈清晰地成像在光電管陰極面的中心處。4. GD-27型光電管光電管安裝在接收暗箱內，松開光電管固定座中間槽內兩只螺釘，可調節(jié)光電管上下位置，使該光源像正好落在光電管陰極面中心處。打開接收暗箱頂部觀察窗蓋，可觀察到汞燈在光電管陰極面上的成像情況?！咀⒁馐马棥?）微電流測試儀常用測量范圍為10-Ho-12（A）檔，最好用10心（A）檔。2）汞燈關閉后不得立即開啟，必須等汞燈冷卻后再開啟，否則會影響其壽命。3）光源與接收暗箱之間距離，宜取300mm。從光源出光孔射出的光，必須對準接收暗箱，經干涉遮光片、物鏡后會聚在光電管陰極面中心位置，不得落在陽極燈絲上，以免影

9、響測試結果。4）安排實驗時，物鏡筒的進光孔請勿對準強光源，以減少雜散光干擾。實驗結束后應及時用物鏡蓋蓋住進光孔。5）放置在接收暗箱內的光電管，實驗時，先用電吹風微微吹一下光電管表面和接收暗箱內部，使其干燥，冷卻后再做實驗，可減少漏電流，提高測量精度。6）儀器不宜在強電場、強磁場、強震動、高溫度、帶輻射物質的環(huán)境下工作。7）汞燈及光電管外殼及物鏡要防止塵埃、油脂污染?！緦嶒瀮热荨?. 儀器接線與檢驗a）用專用電纜將微電流測試儀輸入接口與暗箱輸出端接口K連接起來；用屏蔽線將接受暗箱加速電壓輸入端插座A與微電流測試儀加速電壓輸出端插座連接起來；汞燈電源線與微電流測試儀電源開關，充分預熱（一般20mi

10、n左右）。b）除去物鏡蓋，將轉盤放置在緊靠物鏡前，使546.1nm干涉濾光片進入光路（該波長對人眼最敏感，便于調試），測量范圉旋鈕調到“短路”，打開觀察窗蓋，調整光源、接收暗箱及物鏡位置，使汞燈清晰地成像在光電管陽極圈中央部位的陰極面上，調整好后用轉盤上非通關孔檔位光路、蓋好觀察窗蓋。c）將測量范圍旋鈕旋置短路檔，調節(jié)調零旋鈕使電表電流為零，將“測量范圍”旋鈕轉至“滿度”，選擇“滿度”旋鈕使電流值lOOMa,再重復上述過程一次。旋鈕轉至所需測量檔。2. 實驗測量a）轉動電壓調節(jié)旋鈕，使電表顯示為-2V,轉動“測量范圍”，旋鈕至10皿（A）檔，這時數字表顯示出該電壓下的暗電流值。按上述方法從-2

11、-0V之間每隔0.2V測量相對應的電壓和電流值作用暗電流特性曲線。b）將轉盤上波長為577.0nm的濾光片旋入光路中，從0開始轉動“加速電壓”調節(jié)旋鈕，按步驟a的方法每隔0.05V記一次相對應的電壓和電流值,直到光電流顯示值為某個自己選擇的數值（比如200）為止，然后作出光電流特性曲線（在特性曲線的轉彎處，可每隔0.05V起記一次數據），找出光電流特性曲線與暗電流特性曲線的交點-U、即為波K577.0nm時的遏止電壓。c）按方法b分別測得577.0、546.2、435.8、404.7、365.0nm的單色光電流特性曲線，并求岀各線對應的遏止電壓Uod）利用上面所得的數據根據直線擬合（線性回歸）

12、的方法坐udv圖，并求出相關系數Y和普朗克常數h值，與理論值比較求出百分誤差。e）改變光源和光電管的距離，可以觀察光電流的大小與光強的關系，驗證有關光電效應的實驗規(guī)律?！緮祿幚砼c結果】（畫出數據表格、寫明物理量和單位，計算結果和不確定度，寫出結作出截止電壓與頻率間的關系圖:果表達式。注意作圖要用坐標紙）測得的截止電壓與頻率之間的關系數據表:A(nm)365.0404.7435.8546.1577.0u(x10A14Hz)8.227.416.885.495.19S(V)-1.840-1.354-1.107-0.621-0.533通過數據記錄得出的截止電壓與光電流的關系圖:u(X10A14Hz)>-£【結果討論與誤差分析】通過對上圖的進行線性擬合可以得出Ua=4lsXU-1.6759由公式：hWUa=-vee可以得出2=4-15又因e=1.6xio-l9C可以的出h為64X10®其中，百分誤差為日100%=3.43%【分析討論題及實驗心得】分析討論題：逸出功的求解通過常數項乘以基本電荷量得出。截止頻率的確定是ill關系式V光諫=入xu得出。實驗心得：本實驗中應用不同的方法都測出了普朗克常數，但都有一定的實驗誤差，據分析誤差產主原因是：1、暗電流的影響，暗電流是光電管沒有受到光照射時，也會