普朗克常數的測定

實驗6—4普朗克常數的測定實驗目的】通過實驗加深對光的量子性及光電效應的基本規(guī)律的了解。通過光電效應實驗，驗證愛因斯坦方程，測定普朗克常數。學習用計算機處理數據?！緦嶒炘怼慨敼庹丈涞浇饘俦砻鏁r光能量被金屬中的電子所吸收，使一些電子逸出金屬表面，這種現象稱為光電效應，逸出的電子稱為光電子。電子的定向移動形成電流，稱之為光電流。圖6-4-1為光電效應的實驗原理圖，當頻率為v的光照射到光電管的陰極K時，即有光電子從陰極逸出，部分光電子跑到陽極A上從而形成回路，檢流計G即顯示光電流。改變上述這些規(guī)律是光的波動性理論所不能解釋的。1905年，愛因斯坦在解釋光電效應時，發(fā)展了普朗克的“能量子”假設，提出了“光量子”概念。他認為光并不是以連續(xù)分布的方式將能量傳播到空間，而是以光量子的形式一份一份地向外輻射，每個光子的能量為hv，其中h=6.626x10-34js，稱為普朗克常量。當光照射到金屬表面時，光子和金屬中的電子發(fā)生碰撞，一個電子完全吸收一個光子的能量，一部分能量用來克服金屬離子的吸引力(做逸出功)，剩下的能量就是光電子逸出后的動能。E=hv—W (6-4-1)ps這個方程稱為愛因斯坦方程。W為逸出功，是金屬材料的固有屬性，不同的材料具有s不同的逸出功。通過這個方程，很容易解釋閾頻率、光電子動能與入射光頻率成正比等規(guī)律。在光電管兩端加上一反向電壓，它對光電子的運動起減速作用。隨著反向電壓的增大，能到達陽極的光電子會逐漸減少，即光電流減小。當光電流減小為零時，此時光電子的動能全部用于克服反向電場力做的功，即eU=Esp1=—mv226-4-2)在光電管兩端加上一反向電壓，它對光電子的運動起減速作用。隨著反向電壓的增大，能到達陽極的光電子會逐漸減少，即光電流減小。當光電流減小為零時，此時光電子的動能全部用于克服反向電場力做的功，即eU=Esp1=—mv226-4-2)入射光頻率不同，截止電壓也不同。將（6-4-2）式代這時的反向電壓U叫截止電壓。s入（6-4-1）式得U上式中，h、e和W均為定值，s6-4-3)可見上式是線性函數。只要在實驗中測出不同頻率下的截止電壓U，作出U-v圖（一條直線），根據該直線的斜率k=h/e即可算出普朗克常ss量h；通過該直線在電壓軸上的截距可以求出逸出功；通過該直線在頻率軸上的截距可以求出截止頻率（閾頻率）。在實驗中測得的光電管的伏安特性曲線與理想的曲線有所不同，這是因為：陰極采用逸出電勢低的堿金屬材料制成，這種材料即使在高真空中也有易氧化的趨勢，使陰極表面各處的逸出電勢不盡相同。同時，逸出具有最大動能的光電子數目大為減少，隨著反向電壓的增高，光電流不是陡然截止，而是較快降低后平緩地趨近零點。存在暗電流和本底電流。在完全沒有光照射光電管的情形下，由于陰極本身的熱電子發(fā)射等原因所產生的電流稱為暗電流。本底電流是由于外界各種漫反射光入射到光電管上所致。這兩種電流屬于實驗中的系統(tǒng)誤差，應將其排除。③陽極是用逸出電勢較高的鉑、鎢等材料做成，本來只有在遠紫外光的照射下才能逸出電子。但在制造和使用過程中難免沾染陰極材料，當陽極受到部分漫反射光照射時也會產生光電子，因為施加在光電管上的外加電場對于這些電子來說正好是加速電場，使得發(fā)射的光電子由陽極飛向陰極，形成反向電流?！緦嶒瀮x器】PE-II型普朗克常數測定儀?！緦嶒瀮热菖c步驟】1.必做部分1） 開機（測量儀和汞燈）預熱15分鐘。2） 罩住光電管進光孔，斷開儀器間連接的屏蔽線，將“電壓調節(jié)”旋鈕調至0。選擇“電流測量”檔位開關至“短路”，調節(jié)“調零”旋鈕使微電流指示為“00.0”；選擇“電流測量”檔位開關至“滿度”，調節(jié)“滿度”旋鈕使微電流指示為“—100.0”。調好后連接屏蔽線，選擇“電流測量”檔位開關至“X10-5”檔。3） 將光電管的遮光罩換成365nm的濾色片，計下此時的微電流即此濾色片的“本底電流”。打開汞燈出光孔，觀察到的電流顯示即為光電流，調節(jié)“電壓調節(jié)”，即增大反向電壓使光電流減小至“本底電流”，計下此時的反向電壓（即為截止電壓U）。s4） 將濾色片換成405nm,436nm,546nm和577nm,并分別記下對應的截止電壓。5） 用五組數據作“U-v”圖，并擬合直線，算出該直線的斜率，進而算出普朗克常s數h，與公認值比較，算出相對誤差。6） 通過計算機上的Excel擬合直線，算出函數式，計算W和v。s0表6-4-1 必做部分數據記錄表波長（nm）365nm405nm436nm546nm577nmh(X10-34J.s)E（%）r頻率(x1014Hz)8.227.416.885.495.20U（V）S2.選做部分1）和2）步驟同上。3）將光電管的遮光罩換成365nm的濾色片，打開汞燈出光孔，改變反向電壓大小，觀察光電流的變化。精確計下10組左右的電壓和電流值（截止電壓附近應多測幾組）。4）將濾色片換成405nm，436nm，546nm和577nm,并分別計下反向電壓和光電流的數值。5） 利用上述5組數據分別描繪光電管的伏安特性曲線，并確定"拐點”即截止電壓U）。s

將截止電壓和入射光頻率共五組數據作“U-v”圖，并擬合直線，算出該直線的斜率，算

s出普朗克常數h，與公認值比較，算出相對誤差。6） 通過計算機上的Execl擬合直線，算出函數式，計算W和v。實驗數據表格自擬。s0【實驗注意事項及常見故障的排除】每次換濾色片時，必須罩住汞燈出光孔。調零和調滿度時應將信號屏蔽線斷開，調好后再連接上?！舅伎寂c創(chuàng)新】本實驗中，如何實現不同頻率的光照射光電管？實驗時，應將濾色片罩在汞燈出光孔還是光電管進光孔？為什么？光電管一般是用逸出功小的金屬做陰極，用逸出功大的金屬做陽極，為什么？實驗中，若改變光源與光電管之間的距離，對U—I曲線有何影響，對測普朗克常數是否有影響？試設計一個基于光電效應的紅外報警裝置?；舅悸肥怯杉t外線是否被遮擋而導致光電流的有無作為觸發(fā)因素，來確定警鈴是否響起的報警系統(tǒng)?！靖戒洝科绽士顺Ａ渴墙锢韺W中的普適常量，它是德國物理學家普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858--1947）在研究黑體輻射的時候提出的。1900年，普朗克通過黑體輻射的方法計算出其數值為6.55x10-34j?s；1916年，密立根通過光電效應的方法測出其數值為6.547x10-34j?s；1921年，中國物理學家葉企孫通過X射線連續(xù)譜的方法測出其數值為6.556x10-34j?s；1955年及以后，其他科學家通過平差的方法得出其數值為6.62517x10-34J?s；。由于普朗克常量無法直接測定，要從實驗得到普朗克常量就必然與其他基本物理常數有密切聯系，特別是與電子的電荷有聯系，所以，只有在1909年密立根通過油滴實驗精確測出電子的電量以后才被較為精確地測出。普朗克常量現在的公認值是6.626176x10-34J?s。光電效應是德國物理學家赫茲在1887年驗證電磁波時無意中發(fā)現的。1888年以后，W.哈爾瓦克斯、A.R.斯托列托夫、P.勒納德等人對光電效應現象作了長時間的研究，并總結出了光電效應的基本規(guī)律。1905年，愛因斯坦在其著名論文《關于光的產生和轉化的一個試