大學物理實驗：光電效應

光電效應測普朗克常數(shù)

光電效應實驗組2013-8-30魏合林特別注意：光電管易損壞！實驗前切勿打開桌面電源！【實驗目的】1、測定光電效應的基本特性曲線，加深對光的量子性的認識；2、驗證愛因斯坦方程，并測量普朗克常數(shù)以及陰極材料的“紅限”頻率。1.測量普朗克常數(shù)h及“紅限”頻率

0；2.測定光電管的伏安特性（I-U）曲線；3.測量飽和電流與光強（Im-P）關系?！緦嶒瀮?nèi)容】普朗克常數(shù)介紹黑體輻射紫外災難引入h后使公式完全符合實驗曲線！開啟量子世界大門！光電效應現(xiàn)象及其歷史光電效應：光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應。赫茲在做電磁波實驗的時候，發(fā)現(xiàn)了光電效應。H.R.Hertz1857-1894初次試驗：1887年光電效應是赫茲（H.R.Hertz）于驗證電磁波存在時意外發(fā)現(xiàn)的，然而這一現(xiàn)象是無法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論對其做出成功解釋的。理論解釋：1905年愛因斯坦在普朗克（M.Planck）量子假設的基礎上提出了光量子（光子）概念，并由此圓滿地解釋了光電效應的各種實驗規(guī)律。再次試驗：10年后密立根（R.A.Millikan）以精湛的實驗技術驗證了愛因斯坦的光電效應方程。獲得成就：愛因斯坦和密立根主要因光電效應方面的杰出貢獻分別榮獲1921年和1923年的諾貝爾物理學獎。光電效應現(xiàn)象及其歷史光電效應的發(fā)現(xiàn)和解釋極大推動了量子力學的發(fā)展！推動了現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展！使得人類生活發(fā)生極大的變化！每一種金屬都有一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。當入射光的頻率低于極限頻率時，無論多強的光都無法使電子逸出。光電效應中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關，而與光強無關。光電效應的瞬時性。實驗發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，即幾乎在照到金屬時立即產(chǎn)生光電流。響應時間不超過10-9秒（1ns）。入射光的強度只影響光電流的強弱，即只影響在單位時間單位面積內(nèi)逸出的光電子數(shù)目。在光頻率不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，即一定頻率的光，入射光越強，一定時間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)目越多。光電效應規(guī)律光電效應現(xiàn)象的原理在光電效應中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定于它的強度，即只與電磁波的振幅有關，而與電磁波的頻率無關。而實驗規(guī)律中的第一、第二兩點顯然用經(jīng)典理論無法解釋。經(jīng)典解釋存在截止頻率、光電效應與光的頻率有關，而與光強無關。第三條也不能解釋，因為根據(jù)經(jīng)典理論，對很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個能量積累的過程而不可能瞬時產(chǎn)生光電子。光電效應現(xiàn)象的原理量子解釋（愛因斯坦）電子逸出動能金屬表面電子逸出功光子能量軌道能脫出功光電效應現(xiàn)象的原理量子解釋（愛因斯坦）光電子的最大初動能入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能必然也越大，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，所有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US被稱為光電效應的截止電壓(遏止電壓)。截止頻率愛因斯坦光電效應方程“紅限”頻率要想發(fā)射光電子流，必須①橫軸上的截距的物理含義是光電管陰極材料的極限頻率；②縱軸上的截距的物理含義是光電管陰極材料的溢出功的負值；③斜率的物理含義是普朗克常數(shù)．光電效應現(xiàn)象的原理量子解釋（愛因斯坦）“Ekm～v”曲線：如圖所示的是光電子最大初動能Ekm隨入射光頻率v的變化曲線，相應的物理意義為:1912-1915年間，密立根光電效應現(xiàn)象的原理“I～U”曲線：如圖所示的是光電流強度I隨光電管兩極間電壓U的變化曲線。實際“I～U”曲線：實驗中影響光電效應伏安－特性的因素很多：暗電流、陽極電流、不同材料的接觸電壓以及照射光的非單色性。曲線的下部轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€，轉(zhuǎn)變點B(抬頭點)對應的外加電壓值才是遏止電壓US。影響準確測量的因素：光電效應現(xiàn)象的原理暗電流或本底電流：當光電管陰極沒有受到光線照射時也會產(chǎn)生電子流，稱為暗電流。它是由電子的熱運動和光電管管殼漏電等原因造成的。室內(nèi)各種漫反射光射入光電管造成的光電流稱為本底電流。暗電流和本底電流隨著K、A之間電壓大小變化而變化。陽極電流：陽極的光電子發(fā)射是陽極材料在光照下發(fā)射的光電子，對這些光電子而言，外加反向電場是加速電場，因此它們很容易到達陰極，形成反向電流（陽極電流）。由于它們的存在，使得I～U曲線較理論曲線下移，如圖所示。ZKY-GD-3型光電效應實驗儀上式表明與入射光頻率成直線關系，實驗中可用不同頻率的入射光照射，分別測量相應的截止電壓，就可作出的實驗直線，此直線的斜率就是由該直線與橫軸的交點，可求出“紅限”頻率。這就是密立根驗證愛因斯坦光電效應方程的主要實驗思想。則普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)的測量原理實驗儀器ZKY-GD-3型光電效應實驗儀

普朗克常數(shù)的測量高壓汞燈

光電管

濾光片及光闌遮光蓋

測試儀40cm實驗儀器普朗克常數(shù)的測量測試儀光電管暗盒光電管光闌濾光片高壓汞燈汞燈電源ZKY-GD-3光電效應實驗儀結構示意圖五種帶通型濾光片安裝在接收暗盒的進光窗口上，以獲得所需要的單色光。濾光片型號NG365NG405NG436NG546NG577透射波長（nm）365.0404.7435.8546.1577.0實驗儀器普朗克常數(shù)的測量光闌濾光片實驗儀器普朗克常數(shù)的測量ZKY-GD-3光電效應實驗儀結構示意圖實驗（1）用實驗（2\3）用調(diào)零和測量切換調(diào)零量程實驗儀器ZKY-GD-3型光電效應實驗儀特點

由于其特殊結構使光不能直接照射到陽極；由陰極反射照到陽極的光也很少；加上采用新型的陰、陽極材料及制造工藝，使得陽極反向電流、光電管暗電流大大降低；由此測定的光電管的伏安特性曲線點與點基本重合。因而可以把實測電流為零時對應的光電管電壓值作為截止電壓，此種方法稱為零電流法。普朗克常數(shù)的測量ZKY-GD-3型光電效應實驗儀采用了新型結構的光電管。普朗克常數(shù)的測量實驗內(nèi)容（1）把汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上，將汞燈暗盒光輸出口對準光電管暗盒光輸入口，調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm并保持不變。將測試儀及汞燈電源接通，預熱20分鐘。（汞燈一旦開啟，不要隨意關閉?。?）測試儀調(diào)零：將“電流量程”選擇開關置于10-13A檔位，儀器在充分預熱后，進行測試前調(diào)零。調(diào)零時，將“調(diào)零/測量”切換開關切換到“調(diào)零”檔位，旋轉(zhuǎn)“電流調(diào)零”旋鈕使電流指示為“000”。調(diào)節(jié)好后，將“調(diào)零/測量”切換開關切換到“測試”檔位，就可以進行實驗了。測試前準備普朗克常數(shù)的測量1.測量普朗克常數(shù)、“紅限”頻率本實驗采用ZKY-GD-3型光電效應實驗儀。由于其特殊結構使暗電流大大降低，由此測定的光電管的伏安特性曲線與基本重合。因而可以把實測電流為零時對應的光電管電壓值作為截止電壓，此種方法稱為零電流法。（1）用零電流法測定h和

由于光電管的陽極反向電流、暗電流、本底電流及極間接觸電位差等因素的影響，實測電流為零時對應的光電管的電壓并非截止電壓，而對應于U—I實驗曲線反向電流開始趨于常量的點（拐點），因此，通過實驗測量光電管的伏安特性，根據(jù)U—I實驗曲線分析其“拐點”，由此得出截止電壓。此方法稱為“拐點法”。普朗克常數(shù)的測量1.測量普朗克常數(shù)、“紅限”頻率將電壓選擇按鍵置于-2V～0V檔，電流量程選擇在10-13A擋，重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將直徑為4mm的光闌及365.0nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。調(diào)節(jié)電壓UAK，使光電流指示為零，此時測試儀所顯示的電壓值即為與入射光頻率對應的截止電壓。更換其余四個濾光片（注意：更換濾光片時先將汞燈用遮光蓋蓋上！），測出各頻率的光所對應的截止電壓。重復上述測量步驟，測量4組數(shù)據(jù)。平均值4321

截止電壓5.1965.4906.8797.4088.214頻率（×1014Hz）577.0546.1435.8404.7365.0波長（nm）數(shù)據(jù)記錄表格一(每種情況測量四次)普朗克常數(shù)的測量將電壓選擇按鍵置于-2V—+30V檔；將“電流量程”選擇開關置于10-12A檔,重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將直徑2mm的光闌及577nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點所對應的電壓值作為第一組數(shù)據(jù)，之后電壓間隔取1.5V，一直測到UAK=30.0V左右為止。

換上直徑4mm及8mm的光闌,重復上述測量步驟。2.測量光電管的伏安特性曲線（I—U曲線）577nm光闌2mmUAK（V）I（×10-12）577nm光闌4mmUAK（V）I（×10-12）數(shù)據(jù)記錄表格二577.0nm光闌8mmUAK（V）I（×10-12）普朗克常數(shù)的測量3.驗證光電管的飽和光電流與入射光強的正比關系

將“電流量程”選擇開關置于10-11A檔，重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將電壓調(diào)到25V，在同一譜線,在同一入射距離下,記錄光闌分別為2mm，4mm，8mm時對應的電流值。由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用表三數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。435.8nm光闌Φ2mm4mm8mmI（×10-11A）546.1nm光闌Φ2mm4mm8mmI（×10-11A）數(shù)據(jù)記錄表格三由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用表三數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。【數(shù)據(jù)處理】普朗克常數(shù)的測量（一）根據(jù)表格一測量數(shù)據(jù)1>作圖法作出US－v的實驗直線，由此直線的斜率k計算普朗克常數(shù)h＝ek，與公認值進行比較計算相對不確定度。由該直線與橫軸的交點得出“紅限”頻率v0。2>最小二乘法根據(jù)最小二乘法求出直線方程普朗克常數(shù)“紅限”頻率【數(shù)據(jù)處理】普朗克常數(shù)的測量（二）根據(jù)表格二測量數(shù)據(jù)，作對應于以上兩種波長及光強的伏安特性曲線。（三）根據(jù)表格三測量數(shù)據(jù)，作對應于以上兩種波長的Im—P關系曲線，并給出結論普朗克常數(shù)的測量①思考題光電效應的實驗規(guī)律是什么？經(jīng)典的波動理論是如何解釋光電效應的各條實驗規(guī)律?愛因斯坦光量子假說的內(nèi)容是什么？它是如何解釋光電效應的各條實驗規(guī)律?密立根驗證愛因