光電效應測普朗克常數實驗報告(華師版)

一、光電效應光電效應示意圖光電效應是指物質吸收光子（photon）并激發(fā)出自由電子的行為。當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）。當光子把光電子彈出時,光子本身已經沒有能量了。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。根據光的波動理論，光的能量僅與光強有關。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，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。內光電效應內光電效應是光電效應的一種，主要由于光量子作用，引發(fā)物質電化學性質變化。內光電效應又可分為光電導效應和光生伏特效應。光電導效應：當入射光子射入到半導體表面時，半導體吸收入射光子產生電子空穴對，使其自生電導增大。光生伏特效應：當一定波長的光照射非均勻半導體（如PN結），在自建場的作用下，半導體內部產生光電壓。外光電效應外光電效應是指物質吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為。當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。可事實是，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。光電效應由德國物理學家赫茲于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（重要性）普朗克常數記為，是一個物理常數，用以描述量子大小。在量子力學中占有重要的角色，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，計算的結果才能和試驗結果是相符。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、光電效應法（補償法、零電流法、拐點法）2、X射線光電效應法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法10、由馮·克利青于1980年發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應,測定h/e2的量子霍爾效應法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（基于測量弱磁物質磁化率的基本原理)四、光電效應歷史（理論）光電效應由德國物理學家赫茲于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。當時，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個鋅質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，統(tǒng)稱布蘭科（普朗克）常數（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。但無法根據當時的理論加以解釋1905年，愛因斯坦26歲時提出光子假設，成功解釋了光電效應，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。赫茲用兩套放電電極做實驗，一套產生振蕩，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生。赫茲的論文《紫外線對放電的影響》發(fā)表后，引起物理學界廣泛的注意，許多物理學家進行了進一步的實驗研究。1888年，德國物理學家霍爾瓦克斯（WilhelmHallwachs）證實，這是由于在放電間隙內出現(xiàn)了荷電體的緣故。1899年，J.J.湯姆孫用巧妙的方法測得產生的光電流的荷質比，獲得的值與陰極射線粒子的荷質比相近，這就說明產生的光電流和陰極射線一樣是電子流。這樣，物理學家就認識到，這一現(xiàn)象的實質是由于光（特別是紫外光）照射到金屬表面使金屬內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）對光電效應進行了系統(tǒng)的研究，并首先將這一現(xiàn)象稱為“光電效應”。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，并總結出了光電效應的一些實驗規(guī)律。根據動能定理：qU=mv^2/2，可計算出發(fā)射出電子的能量。可得出：hf=(1/2)mv^2+I+W深入的實驗發(fā)現(xiàn)的規(guī)律與經典理論存在諸多矛盾，但許多物理學家還是想在經典電磁理論的框架內解釋光電效應的實驗規(guī)律。有一些物理學家試圖把光電效應解釋為一種共振現(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。勒納德的假說在當時很有影響，被一些物理學家接受。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用不同的方法都測出了普朗克常數，但都有一定的實驗誤差，據分析誤差產生原因是：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，陽極也有光電子發(fā)射，當陽極加負電位、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?。?/p>