實(shí)驗(yàn)一光電效應(yīng)講義

PAGEPAGE10實(shí)驗(yàn)一光電效應(yīng)1887年，赫茲在研究電磁輻射時(shí)意外發(fā)現(xiàn)，光照射金屬表面時(shí)，在一定的條件下，有電子從金屬的表面溢出，這種物理現(xiàn)象被稱作光電效應(yīng)，所溢出的電子稱光電子。由此光電子的定向運(yùn)動(dòng)形成的電流稱光電流。1888年以后，W.哈爾瓦克斯、A.Γ.斯托列托夫、P.勒納德等人對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究，并總結(jié)出了光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)：1.光強(qiáng)一定時(shí)，光電管兩端電壓增大時(shí)，光電流趨向一飽和值。對(duì)于同一頻率不同光強(qiáng)時(shí)，光電發(fā)射率（光電流強(qiáng)度或逸出電子數(shù)）與光強(qiáng)P成正比，見圖1(a)、(b)。2.對(duì)于不同頻率的光,其截止電壓不同，光電效應(yīng)存在一個(gè)閾頻率（截止頻率、極限頻率或紅限頻率），當(dāng)入射光頻率低于某一閾值時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，都沒(méi)有光電子產(chǎn)生，見圖1（c）、（d）。3.光電子的動(dòng)能與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)，但與入射光的頻率成線性關(guān)系。4.光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)，一經(jīng)光束照射立即產(chǎn)生光電子。圖1光電效應(yīng)規(guī)律上述實(shí)驗(yàn)事實(shí)用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論無(wú)法作出圓滿的解釋。1905年，愛(ài)因斯坦用光量子理論圓滿解釋了光電效應(yīng)，并得出愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。后來(lái)密立根對(duì)光電效應(yīng)展開全面的實(shí)驗(yàn)研究，證明了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性，并精確測(cè)出普朗克常數(shù)。因?yàn)樵诠怆娦?yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)，愛(ài)因斯坦和密立根分別于1921年和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)和光量子理論在物理學(xué)的發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義，量子論是近代物理的理論基礎(chǔ)之一。而光電效應(yīng)則可以給量子論以直觀鮮明的物理圖像。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用光電效應(yīng)制成的光電元件在許多科技領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并且至今還在不斷開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。本實(shí)驗(yàn)利用“減速電勢(shì)法”測(cè)量光電子的動(dòng)能，從而驗(yàn)證愛(ài)因斯坦方程，并測(cè)得普朗克常數(shù)。經(jīng)過(guò)本實(shí)驗(yàn)有助于進(jìn)一步理解量子理論。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光的量子性。2．測(cè)量光電管的弱電流特性，找出不同光頻率下的截止電壓。3．驗(yàn)證愛(ài)因斯坦方程，并由此求出普朗克常數(shù)。【實(shí)驗(yàn)原理】當(dāng)一定頻率的光照射某些金屬表面時(shí)，可以使電子從金屬表面逸出，這就是光電效應(yīng)現(xiàn)象。1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克（Plank）在研究黑體輻射時(shí)，提出輻射能量不是連續(xù)的的假設(shè)。1905年愛(ài)因斯坦在解釋光電子效應(yīng)時(shí)，將普朗克（Plank）的輻射能量不連續(xù)的假設(shè)作了重大發(fā)展。提出光并不是由麥克斯韋（Maxwell）電磁場(chǎng)理論提出的傳統(tǒng)意義上的波。而是由能量為的光電子（簡(jiǎn)稱光子）構(gòu)成的粒子流。他認(rèn)為光是以能量的光量子的形式一份一份向外輻射。具有能量的一個(gè)光子作用于金屬中的一個(gè)自由電子，光子能量或者被完全電子吸收，或者完全不吸收。電子吸收光子能量后，一部分用于逸出功，剩余部分成為逸出電子的最大動(dòng)能，如果此能量大于或等于電子擺脫金屬表面約束的逸出功，電子就能從金屬中逸出。按照能量守恒定律有：（1）（1）式即為愛(ài)因斯坦方程，其中為普朗克常量，為光電子頻率，表示逸出光電子的最大速率，為光電子逸出金屬表面時(shí)所具有的最大初動(dòng)能，為光束照射金屬材料逸出功。此式表明：光電子的初動(dòng)能與入射光的頻率有線性關(guān)系，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。若入射光頻率低，光子能量小于逸出功時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。此時(shí)對(duì)應(yīng)入射光頻率為：

(2）為極限頻率。不同金屬材料因逸出功不同，其極限頻率也各不相同。本實(shí)驗(yàn)采用減速電場(chǎng)法，實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示，當(dāng)單色光照射到光電管的陰極上時(shí)，有光電子逸出。若給陽(yáng)極加上正向電壓，陰極加上反向電壓，光電子被加速，光電流增加。而當(dāng)陰極加上正向電壓，陽(yáng)極加上反向電壓時(shí)，光電子減速。由于光電子具備初動(dòng)能，即使不加外加速電壓時(shí)，仍然有光電子落到陽(yáng)極。當(dāng)光電管加反向電壓（反向，正向）光電流減少，直到電壓達(dá)到時(shí)，光電流為0，此時(shí)沒(méi)有光電子逸出，稱為截止電壓。與此對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能應(yīng)等于它克服電場(chǎng)力所做的功。

（3）光電流與外加電壓的伏安特性曲線如圖3所示。圖2實(shí)驗(yàn)原理圖

圖3光電管的I-V特性曲線將（1）和（2）代入（3）式可得

（4）（4）式表明：截止電壓與入射光頻率是線性關(guān)系，只要測(cè)出不同頻率下的值，做出曲線，該曲線應(yīng)為一直線，見圖4。其斜率為，從而可以求出。實(shí)際測(cè)出的曲線較圖4復(fù)雜，如圖5所示：圖4曲線

圖5

曲線主要影響因素有以下幾個(gè)方面：1.暗電流和本底電流：當(dāng)光電管在沒(méi)有受到光照時(shí)產(chǎn)生的電流叫做暗電流。它主要是由陰極（）在常溫下的電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱電流和光電子等漏電形式下的漏電流組成。本底電流是由于各種漫反射光照在對(duì)光電二電極上引起的電流。這兩種電流都會(huì)隨外電壓的變化而變化，且二者都使外電壓為-時(shí)，光電流不能降為0。為此應(yīng)盡量減少雜散光進(jìn)入光電管，并保持底座、引腳和玻璃泡的清潔與干燥。因暗電流和本底電流均屬于直流，可使用交流電光源和交流放大器，以減少上述因素的影響。2.反向電流：在制作和使用光電管時(shí)，陽(yáng)極上會(huì)濺有陰極材料，當(dāng)光束照射到陽(yáng)極上時(shí)，陽(yáng)極也會(huì)發(fā)射電子，陰極上發(fā)射的光電子也可能被表面所反射，反向的電壓對(duì)陽(yáng)極發(fā)射的光電子起加速作用，形成反向飽和電流。因此在實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小光闌的孔徑，并調(diào)整暗盒的方向避免光直接照射到陽(yáng)極上，從而使反向電流最小。3.接觸電位差：必須指出，愛(ài)因斯坦方程是在同種金屬做發(fā)射體（陰極）和接受體（陽(yáng)極）的情況下導(dǎo)出的。不同的兩種金屬相接觸的地方存在著接觸電位差。接觸電位差的大小與金屬的逸出功有關(guān)。由于陰極、陽(yáng)極和導(dǎo)線的材料不同而形成的電位差為接觸電壓。此電壓難以測(cè)量，因而給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差。由于接觸電壓是不隨入射光的頻率變化的常數(shù)，只影響的準(zhǔn)確性，不影響圖的直線斜率，對(duì)測(cè)定無(wú)影響。【實(shí)驗(yàn)配置】1.實(shí)驗(yàn)裝置：ZKY-GD-3普朗克常數(shù)測(cè)試儀。2.實(shí)驗(yàn)儀器：本儀器主要由汞燈及光源，濾色片，光闌,光電管，微電流測(cè)量?jī)x四部分組成。如圖6所示：圖6

實(shí)驗(yàn)原理圖

（1）光電管：GDH-1型。陽(yáng)極為鎳圈。陰極為銀-氧-鉀，光譜范圍分300-700，最小陰極光靈敏度1/，暗電流2。（2）光源儀器用高壓汞燈。在3023-8720?的譜線范圍內(nèi)有6條譜線可供使用。如表1所示：表1

波長(zhǎng)/?365040474358546157705790（3）濾色片:一組5片，它可以透射中心波長(zhǎng)為：3650?、4047?、4358?、5461?

、5770?

。

（4）光闌3片，直徑2,4,8。（5）微電流測(cè)量放大器：控制面板如圖7。電流測(cè)量范圍在～，三位半數(shù)顯。機(jī)內(nèi)附有兩檔－2～＋2，-2～＋30精密連續(xù)可調(diào)的光電管工作電壓源，穩(wěn)定度，三位半數(shù)顯。圖7

微型電流放大器面板圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】１．測(cè)試前的準(zhǔn)備（１）認(rèn)真閱讀光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的使用說(shuō)明書。（２）安放好儀器，用遮光罩罩住暗盒的光窗。（3）將光源、光電管暗盒、微電流測(cè)量?jī)x安排在適當(dāng)位置。光源汞燈與光電管距離約40cm在暗盒上裝入直徑4的光闌，并用遮光罩蓋住光電管暗盒的光窗。（4）接好電源，打開微電流放大器的電源開關(guān)和光源開關(guān)，預(yù)熱20～30分鐘然后調(diào)整測(cè)量放大器的零點(diǎn)和滿度。注意：汞燈一旦開啟，不要隨意關(guān)閉。點(diǎn)亮的汞燈如熄滅需經(jīng)3-5分鐘冷卻后才能再次開啟。2.測(cè)量?jī)?nèi)容（1）測(cè)量光電管的暗電流和本底電流用遮光罩蓋住光電管暗盒的光窗，順時(shí)針緩慢旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，并合適地改變“電壓量程”和“電壓極性”開關(guān)，從-2～+2之間每變化0.2測(cè)量一組數(shù)據(jù)，記錄電壓及對(duì)應(yīng)電流值.該電流為光電管的暗電流和本底電流。做出暗電流的特性曲線并給出結(jié)論。(2)手動(dòng)測(cè)量不同波長(zhǎng)下光電管的特性。①取下暗盒遮光罩，分別換上365.0、435.8的濾色片和2的光闌，微電流放大器倍率置或檔（只是作為參考，具體量程應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定）,“電壓調(diào)節(jié)選擇-2～＋30檔，從低到高調(diào)節(jié)電壓記錄對(duì)應(yīng)的電流值，做出特性曲線并求出截止電壓。②分別測(cè)出波長(zhǎng)為365.0、404.7、435.8、546.1、577.0的截止電壓（可用零電流法或補(bǔ)償法）。（3）驗(yàn)證光電流與光強(qiáng)的關(guān)系①在同一波長(zhǎng)（如365.0）下，同一入射光距離不變的情況下，分別放置2,4,8光闌時(shí)，按上述方法測(cè)量值。驗(yàn)證光電流與光強(qiáng)的關(guān)系。②在同一波長(zhǎng)（如365.0）下，同一光闌（2,4,8）時(shí)，光電管與入射光不同距離時(shí)（如300，400）按上述方法測(cè)量值。驗(yàn)證光電流與光強(qiáng)的關(guān)系。（4）數(shù)據(jù)處理①所有的測(cè)量數(shù)據(jù)均要列出表格，給出相應(yīng)結(jié)論。.作出暗電流和本底電流的特性曲線并給出結(jié)論。.做出365.0、435.8特性曲線并求出截止電壓。.測(cè)出波長(zhǎng)為365.0、404.7、435.8、546.1、577.0的截止電壓并求值。利用以下兩種方法求出值并計(jì)算誤差，分析誤差的產(chǎn)生原因：▲以為縱坐標(biāo)，以為橫坐標(biāo)在坐標(biāo)紙上繪制出對(duì)應(yīng)直線。求出直線的斜率。將其代入求出。并計(jì)算出測(cè)量值和公認(rèn)值之間的誤差?！镁€形回歸法(最小乘法)求出最佳直線斜率，然后求出，并計(jì)算出測(cè)量值和公認(rèn)值之間的誤差。.驗(yàn)證光電流與光強(qiáng)的關(guān)系，并得出結(jié)論。【注意事項(xiàng)】1.濾色片一定安裝在暗盒光窗上。2.更換濾色片是，一定使用遮光罩蓋住暗盒光圈。3.不能用手觸摸濾光片?！?/p>

思考題】1.實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果改變光電管與暗盒的距離對(duì)曲線有無(wú)影響？2.為什么利用作圖法求不受接觸電壓的影響？3.光電流或截止電壓隨光源光強(qiáng)變化嗎？對(duì)這些現(xiàn)象的解釋與光的波動(dòng)理論是否一致？4.光電管的陰極用涂有溢出功小的光敏材料，而陽(yáng)極則采用溢出功大的金屬材料制造，為什么？5.本實(shí)驗(yàn)有哪些誤差來(lái)源，實(shí)驗(yàn)中如何減小誤差，你有何改進(jìn)建議？光電效應(yīng)在技術(shù)中的應(yīng)用

利用光電效應(yīng)制成的光電管在工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，這里僅舉兩例。光控制電器利用光電管制成的光控制電器，可以用于自動(dòng)控制，如自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等等，圖8是光控繼電器的示意圖，它的工作原理是：當(dāng)光照在光電管上時(shí)，光電管電路中產(chǎn)生電光流，經(jīng)過(guò)放大器放大，使電磁鐵M磁化，而把銜鐵N吸住，當(dāng)光電管上沒(méi)有光照時(shí)，光電管電路中沒(méi)有電流，電磁鐵M就自動(dòng)控制，利用光電效應(yīng)還可測(cè)量一些轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)速。圖8光控制電器原理圖9光電倍增管結(jié)構(gòu)圖光電倍增管

利用光電效應(yīng)還可以制造多種光電器件，如光電倍增管、電視攝像管、光電管、電光度計(jì)等，這里介紹一下光電倍增管。這種管子可以測(cè)量非常微弱的光。圖9是光電倍增管的大致結(jié)構(gòu)，它的管內(nèi)除有一個(gè)陰極K和一個(gè)陽(yáng)極A外，還有若干個(gè)倍增電極K1、K2、K3、K4、K5等。使用時(shí)不但要在陰極和陽(yáng)極之間加上電壓，各倍增電極也要加上電壓，使陰極電勢(shì)最低，各個(gè)