光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)實驗報告要點

光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)試驗報告要點集團文件公布號：〔9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-綜合、設(shè)計性試驗報告年級 *****學號**********姓名 ****時間**********成績 一、試驗題目光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)二、試驗?zāi)康?、通過試驗深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的根本規(guī)律；1、通過試驗深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的根本規(guī)律；2、把握用光電管進展光電效應(yīng)爭論的方法；3、學習對光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測定普朗克常數(shù)。三、儀器用具ZKY—GD—3光電效應(yīng)測試儀、汞燈及電源、濾色片〔五個〕、光闌〔兩個〕、光電管、測試儀四、試驗原理1、光電效應(yīng)與愛因斯坦方程斯坦提出了“光量子”的概念，認為對于頻率為的光波，每個光子的能量為用適宜頻率的光照耀在某些金屬外表上時，會有電子從金屬外表逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬外表逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，愛因斯坦提出了“光量子”的概念，認為對于頻率為的光波，每個光子的能量為式中，為普朗克常數(shù)，它的公認值是=?！?〕依據(jù)愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實質(zhì)是當光子和電子相碰撞時，光子把全部式中，為普朗克常數(shù)，它的公認值是=?！?〕式中，mv為光電子逸出金屬外表的初速度，為被光線照耀的金屬材料的逸出功，2為從金屬逸出的光電子的最大初度，為被光線照耀的金屬材料的逸出功，2為從金屬逸出的光電子的最大初動能。由〔1〕式可見，入射到金屬外表的光頻率越高，逸出的電子動能必定也越大，所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電位低時也會有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時，全部光電子都不能到達陽極，光電流才為零。這個相對于陰極為負值的陽極電位U0被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。明顯，有〔2〕代入〔1〕式，即有〔2〕〔3〕hW，則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低〔3〕頻率是0

Wh，通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而0也不同。由于光的強弱打算于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強度成正〔4〕比。又由于一個電子只能吸取一個光子的能量，所以光電子獲得的能量與光強無關(guān)，只與光子的頻率成正比，，將〔3〕式改寫為〔4〕0上式說明，截止電壓U是入射光頻率的線性函數(shù)，如圖2，當入射光的頻率00kh00

時，截止電壓U

0，沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率

e是一個正的常數(shù)：〔5〕率，就可以通過式〔5〕求出普朗克常數(shù)h。其中是電子的電量。由此可見，只要用試驗方法作出不同頻率下的U0〔5〕率，就可以通過式〔5〕求出普朗克常數(shù)h。其中是電子的電量。Uv直線02、光電效應(yīng)的伏安特性曲線以以下圖是利用光電管進展光電效應(yīng)試驗的原理圖。頻率為、強度為的光線照射到光電管陰極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽極A以以下圖是利用光電管進展光電效應(yīng)試驗的原理圖。頻率為、強度為的光線照著電壓UAK的增加，到達陽極的光電子將漸漸增多。當正向電壓增加到著電壓UAK的增加，到達陽極的光電子將漸漸增多。當正向電壓增加到Um時，AK光電流到達最大，不再增加，此時即稱為飽和狀態(tài)，對應(yīng)的光電流即稱為飽和光電流。光電效應(yīng)原理圖由于光電子從陰極外表逸出時具有確定的初速度，所以當兩極間電位差為零時，仍有光電流I存在，假設(shè)在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之削減；當反向電壓到達截止電壓時，光電流為零。愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極，且陽極很小的抱負狀態(tài)下導(dǎo)出的。實際上做陰極的金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以試驗中存在著如下問題：暗電流和本底電流存在，可利用此，測出截止電壓〔補償法〕。陽極電流。制作光電管陰極時，陽極上也會被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上，陽極上也有光電子放射，就形成陽極電流。由I～U伏安特性曲線五、試驗步驟1、調(diào)整儀器連接儀器；接好電源，翻開電源開關(guān)，充分預(yù)熱〔不少于20分鐘〕。在測量電路連接完畢后，沒有給測量信號時，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每換一次量程，必需重調(diào)零。取下暗盒光窗口遮光罩，換上濾光片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光筒，調(diào)整好暗盒與汞燈距離。2hA將電壓選擇按鍵開關(guān)置于–2～＋2VA將直徑為4mm的光闌和的濾色片裝在光電管電暗箱輸入口上。從高到低調(diào)整電壓，用“零電流法”測量該波長對應(yīng)U ，并數(shù)據(jù)記錄。0依次換上、、、的濾色片，重復(fù)步驟〔1〕、〔2〕、〔3〕。3、測量光電管的伏安特性曲線暗盒光窗口裝濾光片和4mm光闌，緩慢調(diào)整電壓旋鈕，令電壓輸出值緩慢由0V伏增加到30V，每隔1V記一個電流值。但留意在電流值為零處登記截止電壓值.在暗盒光窗口上換上濾光片，仍用4mm的光闌，重復(fù)步驟〔1〕。選擇適宜的坐標，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線U～I。六、試驗記錄與處理1、h(光闌Ф=2mm)波長λ〔nm〕波長λ〔nm〕365405436546577頻率ν(×1014Hz)截止電壓第一次U0〔V〕其次次第三次1,1652、h波長λ〔nm〕波長λ〔nm〕365405436546577頻率ν(×1014Hz)截止電壓U0〔V〕3、測量光電管的伏安特性曲線〔波長λ=436nm光闌Ф=2mm〕U〔V〕U〔V〕I〔×U〔V〕I〔×U〔V〕I〔×1011A〕1011A〕1011A〕-2920-110210112211223213243314254152651627617287182981930七、誤差計算由上面圖表，零電流法三次測量的結(jié)果誤差依次為：E=% E=% E=%1 2 3補償法測量的結(jié)果誤差為：E=%八、試驗分析爭論本試驗中應(yīng)用不同的方法都測出了普朗克常數(shù)，但都有確定的試驗誤差，據(jù)分析誤差產(chǎn)生緣由是：1、暗電流的影響，暗電流是光電管沒有受到光照耀時，也會產(chǎn)生電流，它是由于熱電子放射、和光電管管殼漏電等緣由造成；2、本底電流的影響，本底電流是由于室內(nèi)的各種漫反射光線射入光電管所致，它們均使光電流不行能降為零且隨電壓的變化而變化。3、光電管制作時產(chǎn)生的影響：〔1〕、由于制作光電管時，陽極上也往往濺射有陰極材料，所以當入射光射到陽極上或由陰極漫反射到陽極上時，陽極也有光電子放射，當陽極加負電位、陰極加正電位時，對陰極放射的光電子起了減速的作用，而對陽極的電子卻起了加速的作用，所以I－U關(guān)系曲線就和IKA、UKA曲線圖所示。為了準確地確定截止電壓US，就必需去掉暗電流和反向電流的影響。以使由I＝0US4、試驗者自身的影響：〔1〕從不同頻率的伏安特性曲線讀到的“抬頭電壓”〔截止電壓〕，不同人讀得的不一樣，經(jīng)過處理后的到Us

v曲線也不一樣，測出的數(shù)值就不一樣；〔2〕調(diào)零時，可能會消滅誤差，及在測量時生怕也會使原來調(diào)零的系統(tǒng)不再準確。5、參考值本身就具有確定的準確度，本身就有確定的誤差。6、理論本身就有確定的誤差，例如，1963年Ready等人用激光作光電放射試驗時，覺察了與愛因斯坦方程偏離的奇異光電放射。1968年Teich和WolgaGaAs激光器放射的h=的光子照耀逸出功為A=的鈉金屬時，覺察光電流與光強的平方成正比。按愛因斯坦方程，光子的頻率處于鈉的閥頻率以下，不會有光電子放射，然而現(xiàn)象卻發(fā)生了，不但有光電子放射，而且光電流不是與光強成正比，而是與光強的平方成正比。于是，人們設(shè)想光子間進展了“合作”，兩個光子同時被電子吸取得以躍過外表能壘，稱為雙光子光電放射。后來，進一步的試驗說明，可以三個、多個、甚至40個光子同時被電子吸取而放射光電子，稱為多光子光電放射。人們推斷，nn九、附錄光電效應(yīng)歷史光電效應(yīng)由德國物理學家赫茲于1887年覺察，對進展量子理論起了根本性作用。1887年，首先是赫茲〔〕在證明波動理論試驗中首次覺察的。當時，赫茲覺察，兩個鋅質(zhì)小球之一用紫外線照耀，則在兩個小球之間就格外簡潔跳過電花。1900年，馬克思布蘭科〔MaxPlanck〕對光電效應(yīng)作出最初解釋，并引出了光具有的能量包裹式能量〔quantised〕等式，也就是E=hf，E就是光所具有的“包裹式”能量，h布蘭科常數(shù)〔Planck”sconstant〕，而f就是光源的頻率。也就是說，光能的強弱是有其頻率而打算的。但就是布蘭科自己對于光線是包裹式的說法也不太確定。1902年，勒納〔Lenard)也對其進展了爭論，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸取了入射光的能量而從外表逸出的現(xiàn)象。但無法依據(jù)當時的理論加以解釋；1905261921年諾貝爾物理獎。他進一步推廣了布蘭科的理論，并導(dǎo)出公式，Ek=hf-W，W便是所需將電子從金屬外表上自由化的能量。而Ek呢就是電子自由后具有的勢能。h的其他方法1、 2光電效應(yīng)法〔補償法、零電流法、拐點法〕2、 X射線光電效應(yīng)法3、 X射線原子游離法4、 黑體輻射計算法5、 電子衍射法6、 康普頓波長移位法7、 X射線連續(xù)譜短波限法8、 電子-正電子對湮沒輻射法9、 1962年由約瑟夫森提出的測定2e/h的溝通約瑟夫森效應(yīng)法10、 由馮·克利青于1980年覺察的量子霍爾效應(yīng),測定h/e2的量子霍爾效應(yīng)法11、

由英國國家物理試驗室的基布爾等人于1990年承受的直接測定h的通電動圈法12、

用磁化率測量普朗克常量〔基于測量弱磁物質(zhì)磁化率的根本原理,使用大學物理試驗用的(Gouy)磁天平〕3．光電管為什么要裝在暗盒中的緣由光電管裝在暗盒中一方面是防止光照耀陰極，使得光電管的使用壽