光電效應和普朗克常量的測定-實驗報告

-.z.光電效應和普朗克常量的測定創(chuàng)建人：系統(tǒng)管理員總分：100實驗目的了解光電效應的基本規(guī)律，學會用光電效應法測普朗克常量；測定并畫出光電管的光電特性曲線。實驗儀器水銀燈、濾光片、遮光片、光電管、光電效應參數測試儀。實驗原理光電效應：當光照射在物體上時，光子的能量一部分以熱的形式被物體吸收，另一部分則轉換為物體中一些電子的能量，是部分電子逃逸出物體表面。這種現象稱為光電效應。愛因斯坦曾憑借其對光電效應的研究獲得諾貝爾獎。在光電效應現象中，光展示其粒子性。光電效應裝置：S為真空光電管。內有電極板，A、K極板分別為陽極和陰極。G為檢流計（或靈敏電流表）。無光照時，光電管內部斷路，G中沒有電流通過。U為電壓表，測量光電管端電壓。由于光電管相當于阻值很大的"電阻”，與其相比之下檢流計的內阻基本忽略。故檢流計采用"內接法”。用一波長較短（光子能量較大）的單色光束照射陰極板，會逸出光電子。在電源產生的加速電場作用下向A級定向移動，形成光電流。顯然，如按照圖中連接方式，U越大時，光電流I勢必越大。于是，我們可以作出光電管的伏安特性曲線，U=I曲線關系大致如下圖：隨著U的增大，I逐漸增加到飽和電流值IH。另一方面，隨著U的反向增大，當增大到一個遏制電位差Ua時，I恰好為零。此時電子的動能在到達A板時恰好耗盡。光電子在從陰極逸出時具有初動能，當U=Ua時，此初動能恰好等于其克服電場力所做的功。即：根據愛因斯坦的假設，每粒光子有能量。式中h為普朗克常量，為入射光波頻率。物體表面的電子吸收了這個能量后，一部分消耗在克服物體固有的逸出功A上，另一部分則轉化為電子的動能，讓其能夠離開物體表面，成為光電子。于是我們得到愛因斯坦的光電效應方程：由此可知，光電子的初動能與入射光頻率成線性關系，而與光強度無關。（光強度只對單位時間內逸出物體表面的光電子的個數產生影響）光電效應的光電閾值：紅限：當入射光頻率低于*一值時，無論用多強的光照都不會發(fā)生光電效應。由光電效應方程易得這個頻率，稱為紅限。測量普朗克常量的方法：用光波頻率為的單色光照射陰極板，測量其遏制電位差Ua。于是有：所以：這表明了截止電壓和光波頻率成正比。實驗中獲得單色光的方法：使用水銀燈發(fā)出穩(wěn)定白光作為光源，再使用不同顏色的濾光片罩在光電管的入光口以得到相應顏色的單色光，還可以使用不同透光度的遮光片罩在水銀燈的出光口以得到不同強度的光?？梢姽鈪^(qū)水銀燈的強譜線如下表所示：實驗中可能出現的誤差的預分析：為了獲得準確的遏止電位差值，本實驗用的光電管應該具備下列條件：(1)對所有可見光譜都比較靈敏。(2)陽極包圍陰極，這樣當陽極為負電位時，大部分光電子仍能射到陽極。(3)陽極沒有光電效應，不會產生反向電流。(4)暗電流很小。但實際使用的光電管不可能滿足理想條件。我們必須考慮陽極光電效應引起的反向電流，以及無光照時，電路中的暗電流。則實際測得的電流應包含三部分：正常光電效應產生的電流、陽極光電效應產生反向電流、暗電流。于是實際測得的光電管的伏安特性曲線并不與*軸相切。（左圖：理想狀態(tài)；右圖：實際狀態(tài)）由于暗電流的值通常很小，且對U通常也滿足線性關系。故本實驗中可以忽略其造成的影響。而陽極反向光電流雖然在實驗中較顯著，但它服從一定規(guī)律。據此，確定遏止電位差值，可采用以下兩種方法：(1)交點法：光電管陽極用逸出功較大的材料制作，制作過程中盡量防止陰極材料蒸發(fā)，實驗前對光電管陽極通電，減少其上濺射的陰極材料，實驗中避免入射光直接照射到陽極上，這樣可使它的反向電流大大減少，其伏安特性曲線與上面左圖（理想曲線）十分接近，因此曲線與U軸交點的電位差值近似等于遏止電位差Ua，此即交點法。(2)拐點法：光電管陽極反向光電流雖然較大，但在結構設計上，若使反向光電流能較快地飽和，則伏安特性曲線在反向電流進入飽和段后有著明顯的拐點，如上面右圖所示，此拐點的電位差即為遏止電位差。除了以上提到的可能誤差外，實驗室內的照明干擾和電磁干擾也會影響實驗結果。實驗室應盡量關燈，并且嚴格控制可能產生電磁干擾的儀器。實驗內容一、用不同顏色的濾光片分別得到五種不同波長的單色光（365nm、405nm、436nm、546nm、577nm），分別測定每種光射入光電管時，光電管的伏安特性曲線，分別作出U-I特性曲線。二、使用濾光片得到577nm波長的單色光，分別用不同透光度（25%、50%、75%、不遮光(100%)）的遮光片得到不同強度的光照，分別測量其飽和光電流Im，做出Im—透光率的關系圖。三、使用實驗一中得到的數據，分別求出五種不同波長的光照射光電管時的遏制電壓，并根據波長求出光波頻率，作圖，用線性回歸得出逸出功A值和普朗克常量h值，并且計算出極限頻率。最后把測得的普朗克常量值與公認值比較。計算相對誤差。四、計算涉及的相關公式數據處理實驗內容一：測量光電管在不同波長光照射下的伏安特性總分值：70(1)入射光波長365nm的伏安特性◆(不計分)使用藍黑色濾光片,測得入射光波長365nm的伏安特性數據如下：測量序號123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據相關的參數，獲得圖型信息(2)入射光波長405nm的伏安特性◆(不計分)使用深藍色濾光片,測得入射光波長405nm的伏安特性數據如下：測量序號123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據相關的參數，獲得圖型信息(3)入射光波長436nm的伏安特性◆(不計分)使用藍綠色濾光片,測得入射光波長436nm的伏安特性數據如下：測量序號123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據相關的參數，獲得圖型信息(4)入射光波長546nm的伏安特性◆(不計分)使用金黃色濾光片,測得入射光波長546nm的伏安特性數據如下：測量序號123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據相關的參數，獲得圖型信息(5)入射光波長557nm的伏安特性◆(不計分)使用橙紅色濾光片,測得入射光波長557nm的伏安特性數據如下：測量序號123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據相關的參數，獲得圖型信息(6)根據測量數據，計算紅線頻率以及普朗克常量◆(不計分)遏制電壓的絕對值|Ua|與光波頻率ν的關系如下：波長λ/nm365405436546577頻率ν/THz遏止電壓|Ua|/V◆(10分)根據相關的參數，獲得圖型信息◆(4分)利用最小二乘法進行線性回歸,得到普朗克常量h()=◆(2分)計算普朗克常量的相對誤差Er（%）=◆(4分)考慮紅限頻率ν0=A/h，得ν0(單位：Hz)=實驗內容二：研究飽和光電流Im與光強p之間的關系總分值：10(1)飽和光電流Im與光強p之間的關系◆(不計分)在光源上加不同的透光率的透光片，測量其飽和電流數據如下：透光率0.000.250.500.751.00飽和電流Im/μA◆(6分)根據相關的參數，獲得圖型信息◆(4分)假設飽和電流Im與光強p滿足Im=K*p+p0,