光電效應(yīng)法測定普朗克常數(shù)

1、【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?通過光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(yàn)證愛因斯坦方程，并由此求出普朗克常數(shù)。【實(shí)驗(yàn)原理】（原理概述，電學(xué)。光學(xué)原理圖，計(jì)算公式）當(dāng)光照射在物體上時(shí)，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(zhuǎn)換為物體中某些電子的動(dòng)能，使這些電子逸出物體表面。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)顯示出光的粒子性，所以深入觀察光電效應(yīng)現(xiàn)象，對認(rèn)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(yīng)現(xiàn)象而提出了'光量子”假說，即頻率為v的光子其能量為hv.當(dāng)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(zhuǎn)換為電子

2、的動(dòng)能mv2,即A"1. 實(shí)驗(yàn)原理與電路光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(jì)，0為電壓表，E為電源，R為滑線式電位器，調(diào)節(jié)R可以得到實(shí)驗(yàn)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(shí)，中無電流流過。用光照射陰極時(shí)，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(dá)到飽和值lH：齢的大小和照射光的強(qiáng)度成正比。當(dāng)加速

3、電位差Uak變成負(fù)值是，陰極電流迅速減小；直到Uak負(fù)到一定量值時(shí)，陰極電流變?yōu)椤?”，對應(yīng)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(qiáng)度無關(guān)，而是隨照射頻率v的增大而增大。從上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看到：1）飽和電流的大小與光的強(qiáng)度成正比。2）光電子從陰極逸出時(shí)具有初動(dòng)能，其最大值等于它的反抗電場力所做的功。mv2=eUnt因?yàn)閁nocV/所以初動(dòng)能的人小與光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨光的頻率增人而增大。Unocp的關(guān)系根據(jù)愛因斯坦公式可用下式表示，即hwUa=-v-MQQ實(shí)驗(yàn)時(shí)用不同頻率的單色光照射陰極，測出相應(yīng)的遏止電位差，然后作出U/A/圖。至于實(shí)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(fù)，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(shí)不會(huì)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(shí)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(huì)日趨嚴(yán)重。污染后的陽極逸出功降低，從陰極來的散射光照到它時(shí)，會(huì)發(fā)射出光電子而形成陽極光電流。實(shí)驗(yàn)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(jié)果，如圖所示。由圖可見，陽極污染，實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了反向電流。特性曲線與橫軸交點(diǎn)的電流雖然的等于“0”但是

5、陰極光電流并不等于“0”；交點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(fù)到等于Ua時(shí)，陽極電流仍未飽和，所以反相電流剛開始飽和時(shí)的拐點(diǎn)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(fù)電壓增至Ua之前陽極電流已經(jīng)飽和，則拐點(diǎn)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(yīng)根據(jù)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(diǎn)的電位差嘰近似地當(dāng)作遏止電位差ua（交點(diǎn)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(shí)的拐點(diǎn)電位差Ua當(dāng)作遏止電位差氏（拐點(diǎn)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(diǎn)法來確定遏止電位差。用線性回歸法求得上述曲線?！緦?shí)驗(yàn)儀器及器材】（應(yīng)寫明儀器型號、規(guī)格、精度）POII型普朗克常數(shù)測定儀。儀器主要由光源，介質(zhì)膜干涉濾光片（裝在轉(zhuǎn)盤上）、物鏡、光電管以及數(shù)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(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)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(gè)螺釘可將燈罩取下，燈罩前側(cè)面上裝有固定光欄，汞燈鎮(zhèn)流器裝在微電流測試儀內(nèi)。2. ZD-II型介質(zhì)膜干涉濾光片介質(zhì)膜干涉濾光片的主要指標(biāo)是半寬度和透過率。五塊介質(zhì)膜干涉濾光片和一塊擋光片按順序安裝在轉(zhuǎn)盤上，使用時(shí)只要把所需波長干涉濾光片轉(zhuǎn)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(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)接收暗箱前的物鏡

8、筒，可調(diào)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(nèi)，松開光電管固定座中間槽內(nèi)兩只螺釘，可調(diào)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?xiàng)】1）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(guān)閉后不得立即開啟，必須等汞燈冷卻后再開啟，否則會(huì)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(zhǔn)接收暗箱，經(jīng)干涉遮光片、物鏡后會(huì)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(jié)果。4）安排實(shí)驗(yàn)時(shí)，物鏡筒的進(jìn)光孔請勿對準(zhǔn)強(qiáng)光源，以減少雜散光干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)及時(shí)用物鏡蓋蓋住進(jìn)光孔。5）放置在接收暗箱內(nèi)的光電管，實(shí)驗(yàn)時(shí)，先用電吹風(fēng)微微吹一下光電管表面和接收暗箱內(nèi)部，使其干燥，冷卻后再做實(shí)驗(yàn)，可減少漏電流，提高測量精度。6）儀器不宜在強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場、強(qiáng)震動(dòng)、高溫度、帶輻射物質(zhì)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?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 儀器接線與檢驗(yàn)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(guān)，充分預(yù)熱（一般20mi

10、n左右）。b）除去物鏡蓋，將轉(zhuǎn)盤放置在緊靠物鏡前，使546.1nm干涉濾光片進(jìn)入光路（該波長對人眼最敏感，便于調(diào)試），測量范圉旋鈕調(diào)到“短路”，打開觀察窗蓋，調(diào)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(diào)整好后用轉(zhuǎn)盤上非通關(guān)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(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使電表電流為零，將“測量范圍”旋鈕轉(zhuǎn)至“滿度”，選擇“滿度”旋鈕使電流值lOOMa,再重復(fù)上述過程一次。旋鈕轉(zhuǎn)至所需測量檔。2. 實(shí)驗(yàn)測量a）轉(zhuǎn)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)旋鈕，使電表顯示為-2V,轉(zhuǎn)動(dòng)“測量范圍”，旋鈕至10皿（A）檔，這時(shí)數(shù)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(yīng)的電壓和電流值作用暗電流特性曲線。b）將轉(zhuǎn)盤上波長為577.0nm的濾光片旋入光路中，從0開始轉(zhuǎn)動(dòng)“加速電壓”調(diào)節(jié)旋鈕，按步驟a的方法每隔0.05V記一次相對應(yīng)的電壓和電流值,直到光電流顯示值為某個(gè)自己選擇的數(shù)值（比如200）為止，然后作出光電流特性曲線（在特性曲線的轉(zhuǎn)彎處，可每隔0.05V起記一次數(shù)據(jù)），找出光電流特性曲線與暗電流特性曲線的交點(diǎn)-U、即為波K577.0nm時(shí)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(yīng)的遏止電壓Uod）利用上面所得的數(shù)據(jù)根據(jù)直線擬合（線性回歸）

12、的方法坐udv圖，并求出相關(guān)系數(shù)Y和普朗克常數(shù)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(qiáng)的關(guān)系，驗(yàn)證有關(guān)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。【數(shù)據(jù)處理與結(jié)果】（畫出數(shù)據(jù)表格、寫明物理量和單位，計(jì)算結(jié)果和不確定度，寫出結(jié)作出截止電壓與頻率間的關(guān)系圖:果表達(dá)式。注意作圖要用坐標(biāo)紙）測得的截止電壓與頻率之間的關(guān)系數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄得出的截止電壓與光電流的關(guān)系圖:u(X10A14Hz)>-£【結(jié)果討論與誤差分析】通過對上圖的進(jìn)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(shí)驗(yàn)心得】分析討論題：逸出功的求解通過常數(shù)項(xiàng)乘以基本電荷量得出。截止頻率的確定是ill關(guān)系式V光諫=入xu得出。實(shí)驗(yàn)心得：本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同的方法都測出了普朗克常數(shù)，但都有一定的實(shí)驗(yàn)誤差，據(jù)分析誤差產(chǎn)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(shí)，也會(huì)