光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)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(huì)吸收光子并發(fā)射電子（electron），發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子（photoelectron）。當(dāng)光子把光電子彈出時(shí),光子本身已經(jīng)沒(méi)有能量了。由公式所推:。光的波長(zhǎng)需小于某一臨界值（相等于光的頻率高于某一臨界值）時(shí)方能發(fā)射電子，其臨界值即為極限頻率和極限波長(zhǎng)，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(zhǎng)而非光的強(qiáng)度，這一點(diǎn)無(wú)法用光的波動(dòng)性解釋。根據(jù)光的波動(dòng)理論，光的能量?jī)H與光強(qiáng)有關(guān)。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長(zhǎng)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?shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)秒。正確的解釋是光必定是由與波長(zhǎng)有關(guān)的嚴(yán)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(ài)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(shí)，半導(dǎo)體吸收入射光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使其自生電導(dǎo)增大。光生伏特效應(yīng)：當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射非均勻半導(dǎo)體（如PN結(jié)），在自建場(chǎng)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(huì)吸收光子并發(fā)射電子，發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。光的波長(zhǎng)需小于某一臨界值（相等于光的頻率高于某一臨界值）時(shí)方能發(fā)射電子，其臨界值即極限頻率和極限波長(zhǎng)。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(zhǎng)而非光的強(qiáng)度，這一點(diǎn)無(wú)法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長(zhǎng)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?shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長(zhǎng)有關(guān)的嚴(yán)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(ài)因斯坦所提出。光電效應(yīng)由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(gè)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(shí)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(jìn)行的，計(jì)算的結(jié)果才能和試驗(yàn)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(cè)量普朗克常量h的其它方法1、光電效應(yīng)法（補(bǔ)償法、零電流法、拐點(diǎn)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(jì)算法5、電子衍射法6、康普頓波長(zhǎng)移位法7、X射線連續(xù)譜短波限法8、電子-正電子對(duì)湮沒(méi)輻射法9、1962年由約瑟夫森提出的測(cè)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(cè)定h/e2的量子霍爾效應(yīng)法11、由英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的基布爾等人于1990年采用的直接測(cè)定h的通電動(dòng)圈法12、用磁化率測(cè)量普朗克常量（基于測(cè)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(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則在兩個(gè)小球之間就非常容易跳過(guò)電花。大約1900年，馬克思·普朗克（MaxPlanck）對(duì)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(gè)等式，也就是E=hf，E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一個(gè)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(shuō)，光能的強(qiáng)弱是有其頻率而決定的。但就是布蘭科（普朗克）自己對(duì)于光線是包裹式的說(shuō)法也不太肯定。1902年，勒納（Lenard)也對(duì)其進(jìn)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(wú)法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋1905年，愛(ài)因斯坦26歲時(shí)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(jiǎng)。他進(jìn)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(dòng)能。光電效應(yīng)歷史（實(shí)驗(yàn)）1887年，赫茲在做證實(shí)麥克斯韋的電磁理論的火花放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。赫茲用兩套放電電極做實(shí)驗(yàn)，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(duì)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(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。1888年，德國(guó)物理學(xué)家霍爾瓦克斯（WilhelmHallwachs）證實(shí)，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(cè)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(shuō)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(rèn)識(shí)到，這一現(xiàn)象的實(shí)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(dòng)能，因而從金屬表面逃逸出來(lái)的一種現(xiàn)象。1899—1902年，勒納德（P.Lenard，1862—1947）對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)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(shí)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(shí)的最大速度。他選用不同的金屬材料，用不同的光源照射，對(duì)反向電壓的截止值進(jìn)行了研究，并總結(jié)出了光電效應(yīng)的一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律。根據(jù)動(dòng)能定理：qU=mv^2/2，可計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shuō)，假設(shè)在電子的發(fā)射過(guò)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(yùn)動(dòng)，光照射到原子上，只要光的頻率與電子本身的振動(dòng)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(rèn)為，原子里電子的振動(dòng)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(shuō)在當(dāng)時(shí)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(shuō)被他自己的實(shí)驗(yàn)否定。五、實(shí)驗(yàn)分析討論本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同的方法都測(cè)出了普朗克常數(shù)，但都有一定的實(shí)驗(yàn)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(méi)有受到光照射時(shí)，也會(huì)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(shí)產(chǎn)生的影響：（1）、由于制作光電管時(shí)，陽(yáng)極上也往往濺射有陰極材料，所以當(dāng)入射光射到陽(yáng)極上或由陰極漫反射到陽(yáng)極上時(shí)，陽(yáng)極也有光電子發(fā)射，當(dāng)陽(yáng)極加負(fù)電位、陰極加正電位時(shí)，對(duì)陰極發(fā)射的光電子起了減速的作用，而對(duì)陽(yáng)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(shí)位置來(lái)確定截止電壓US的大小；