光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)實驗報告(華師版)

一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)示意圖光電效應(yīng)是指物質(zhì)吸收光子（photon）并激發(fā)出自由電子的行為。當(dāng)金屬表面在特定的光輻照作用下，金屬會吸收光子并發(fā)射電子（electron），發(fā)射出來的電子叫做光電子（photoelectron）。當(dāng)光子把光電子彈出時,光子本身已經(jīng)沒有能量了。由公式所推:。光的波長需小于某一臨界值（相等于光的頻率高于某一臨界值）時方能發(fā)射電子，其臨界值即為極限頻率和極限波長，頻率滿足。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而非光的強度，這一點無法用光的波動性解釋。根據(jù)光的波動理論，光的能量僅與光強有關(guān)。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒聦嵤牵灰獾念l率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，不超過秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關(guān)的嚴格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。這種解釋為愛因斯坦所提出。內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)是光電效應(yīng)的一種，主要由于光量子作用，引發(fā)物質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)變化。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)入射光子射入到半導(dǎo)體表面時，半導(dǎo)體吸收入射光子產(chǎn)生電子空穴對，使其自生電導(dǎo)增大。光生伏特效應(yīng)：當(dāng)一定波長的光照射非均勻半導(dǎo)體（如PN結(jié)），在自建場的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生光電壓。外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)是指物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為。當(dāng)金屬表面在特定的光輻照作用下，金屬會吸收光子并發(fā)射電子，發(fā)射出來的電子叫做光電子。光的波長需小于某一臨界值（相等于光的頻率高于某一臨界值）時方能發(fā)射電子，其臨界值即極限頻率和極限波長。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而非光的強度，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒聦嵤?，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關(guān)的嚴格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。這種解釋為愛因斯坦所提出。光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論及波粒二象性起了根本性的作用。二、普朗克常數(shù)（重要性）普朗克常數(shù)記為，是一個物理常數(shù)，用以描述量子大小。在量子力學(xué)中占有重要的角色，馬克斯·普朗克在1900年研究物體熱輻射的規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進行的，計算的結(jié)果才能和試驗結(jié)果是相符。這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于普朗克常數(shù)乘以輻射電磁波的頻率。三、測量普朗克常量h的其它方法1、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的交流約瑟夫森效應(yīng)法10、由馮·克利青于1980年發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng),測定h/e2的量子霍爾效應(yīng)法11、由英國國家物理實驗室的基布爾等人于1990年采用的直接測定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)磁化率的基本原理)四、光電效應(yīng)歷史（理論）光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論起了根本性作用。1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實驗中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則在兩個小球之間就非常容易跳過電花。大約1900年，馬克思·普朗克（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）這一理論。他給這一理論歸咎成一個等式，也就是E=hf，E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一個常數(shù)，統(tǒng)稱布蘭科（普朗克）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決定的。但就是布蘭科（普朗克）自己對于光線是包裹式的說法也不太肯定。1902年，勒納（Lenard)也對其進行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時的理論加以解釋1905年，愛因斯坦26歲時提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921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表面上自由化的能量。而Ek就是電子自由后具有的動能。光電效應(yīng)歷史（實驗）1887年，赫茲在做證實麥克斯韋的電磁理論的火花放電實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。赫茲用兩套放電電極做實驗，一套產(chǎn)生振蕩，發(fā)出電磁波；另一套作為接收器。他意外發(fā)現(xiàn)，如果接收電磁波的電極受到紫外線的照射，火花放電就變得容易產(chǎn)生。赫茲的論文《紫外線對放電的影響》發(fā)表后，引起物理學(xué)界廣泛的注意，許多物理學(xué)家進行了進一步的實驗研究。1888年，德國物理學(xué)家霍爾瓦克斯（WilhelmHallwachs）證實，這是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)了荷電體的緣故。1899年，J.J.湯姆孫用巧妙的方法測得產(chǎn)生的光電流的荷質(zhì)比，獲得的值與陰極射線粒子的荷質(zhì)比相近，這就說明產(chǎn)生的光電流和陰極射線一樣是電子流。這樣，物理學(xué)家就認識到，這一現(xiàn)象的實質(zhì)是由于光（特別是紫外光）照射到金屬表面使金屬內(nèi)部的自由電子獲得更大的動能，因而從金屬表面逃逸出來的一種現(xiàn)象。1899—1902年，勒納德（P.Lenard，1862—1947）對光電效應(yīng)進行了系統(tǒng)的研究，并首先將這一現(xiàn)象稱為“光電效應(yīng)”。為了研究光電子從金屬表面逸出時所具有的能量，勒納德在電極間加一可調(diào)節(jié)反向電壓，直到使光電流截止，從反向電壓的截止值，可以推算電子逸出金屬表面時的最大速度。他選用不同的金屬材料，用不同的光源照射，對反向電壓的截止值進行了研究，并總結(jié)出了光電效應(yīng)的一些實驗規(guī)律。根據(jù)動能定理：qU=mv^2/2，可計算出發(fā)射出電子的能量?？傻贸觯篽f=(1/2)mv^2+I+W深入的實驗發(fā)現(xiàn)的規(guī)律與經(jīng)典理論存在諸多矛盾，但許多物理學(xué)家還是想在經(jīng)典電磁理論的框架內(nèi)解釋光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。有一些物理學(xué)家試圖把光電效應(yīng)解釋為一種共振現(xiàn)象。勒納德在1902年提出觸發(fā)假說，假設(shè)在電子的發(fā)射過程中，光只起觸發(fā)作用，電子原本就是以某一速度在原子內(nèi)部運動，光照射到原子上，只要光的頻率與電子本身的振動頻率一致，就發(fā)生共振，電子就以其自身的速度從原子內(nèi)部逸出。勒納德認為，原子里電子的振動頻率是特定的，只有頻率合適的光才能起觸發(fā)作用。勒納德的假說在當(dāng)時很有影響，被一些物理學(xué)家接受。但是，不久，勒納德的觸發(fā)假說被他自己的實驗否定。五、實驗分析討論本實驗中應(yīng)用不同的方法都測出了普朗克常數(shù)，但都有一定的實驗誤差，據(jù)分析誤差產(chǎn)生原因是：暗電流的影響，暗電流是光電管沒有受到光照射時，也會產(chǎn)生電流，它是由于熱電子發(fā)射、和光電管管殼漏電等原因造成；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，它們均使光電流不可能降為零且隨電壓的變化而變化。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(dāng)入射光射到陽極上或由陰極漫反射到陽極上時，陽極也有光電子發(fā)射，當(dāng)陽極加負電位、陰極加正電位時，對陰極發(fā)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。為了精確地確定截止電壓US，就必須去掉暗電流和反向電流的影響。以使由I＝0時位置來確定截止電壓US的大??；