实验光电效应及普朗克常数的测定.ppt

溯 源 1887年，赫兹在进行证明电磁波存在的实验时发现，当 接收电磁波的电极之一受到紫外光照射时，两极之间就 容易出现电火花。他改用了各种材料放在两极之间，证 明这种作用不是电磁的作用。他在1887年发表的论紫 外光的放电效应一文中首先描述了这些现象。 1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯、意大利的里奇和 俄国的斯托列托夫几乎同时作出了新的研究。1889年 ，爱耳斯特和盖特乐也作了进一步研究，指出对钾、 钠、铝、锌等金属，不仅存在着赫兹指出的紫光放电 现象，而且对普通太阳光也有同样的现象。但另一些 金属（如锡、铜、铁）则没有。 用锌板作光阴极，阳极 与之平行，相距约1厘米 ，将整个装置放在磁场 中，用紫外光照射锌板 ，进行测光电流荷质比 的实验 。 他根据电压、磁场和极间距离计算得出光电流和阴 极射线实质相同的结论， 从而认识到赫兹的紫外放电现象就是由于光、特别是 紫外光照射到金属表面，使金属内部自由电子获得更 大动能而从金属表面逃逸到空间的一种现象。 1899年，j.j汤姆逊，应用下左图所示的实验装置 1902年，勒纳德发表了对光电效应的第一批定量研究结果 ，他通过实验，测出了紫外光照射下铝板发出的电子的荷质 比。确定赫兹看到的火花是金属表面发射电子的结果。 他发现了无法用经典理论解释的三个现象： 第一，出射光电子的初动能只与入射频率有关，而与光强 无关； 第二，每一个金属表面都存在着载止频率； 第三，只要入射光频率大于载止频率，无论它多么微弱，都 会立刻引起光电子发射。 勒纳德还用不同材料做阴极，用不同光源照射阴极，发现了电 子逸出金属表面的最大速度与光强无关，光强对遏止电压没有 影响。 为了从理论上推导出这一公式，他采用了玻尔兹曼的 统计方法，假定黑体内的能量是由不连续的能量子构 成，能量子的能量为h。能量子的假说具有划时代的 意义。 爱因斯坦提出了光子假说并由此假说得出了著名 的光电效应方程，解释了光电效应的实验结果。 美国物理学家密立根从1904年开始光电效应实验， 1916年，他以出色的实验得到了较好的单色光。并从 实验曲线求出了普朗克常数值 1900年，普朗克在研究黑体辐射问题时，先提出了 一个符合实验结果的经验公式。 这是第一次直接从光电效应测定普朗克常数h ，与普朗克1900年从黑体辐射求得之值相符很 好，获得了爱因斯坦方程在很小的实验误差范 围内精确有效的第一次直接实验证据。 这就从实验现象到量子理论上承认了光电效 应的规律，有力地证明了爱因斯坦对光电效 应提出的假设，从而形成了今日大家熟知的 光电效应理论。 一、实验目的 3.利用光电效应法测定普朗克常数，加 深理解光的量子性。 1.了解光电效应及其规律。 2. 了解验证爱因斯坦光电效应方程的 基 本方法。 光电子运动形成光电流(photocurrent)。 二、实验原理 逸出的电子叫光电子(photoelectron), 光电效应： 光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出的 现象称为光电效应 (photoelectric effect) 按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波 理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中 在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持 着频率（或波长）的概念，频率为的光子具有能 量E=h，h为普朗克常数。 当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电 子全部吸收，而无需积累能量的时间。 电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的 吸引力，这部分能量称为逸出功A； 余下的就变为电子离开金属表面后的初动能 按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电 效应方程： 式中，A为金属的逸出功， 为光电子获得的初始动能。 光电效应的实验装置 右图中S是一个抽成真空的玻璃管， K为发出电子的阴极，A为阳极 石英玻璃窗对紫外线吸收很小( 光电效应的入射光一般为可见 到紫外) 当用单色光照射K时，金属 释放出光电子 KA之间加上一定的电势差(由 电压表V读出)，光电子由K飞 向A。 回路中形成电流(由电流计G读出)称为光电流. 入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场 的作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压UAK ，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特 性曲线。 光电效应的实验原理如图1所示。 A K A V U AK 图1 实验原理图 光电效应的基本实验规律如下： （1）光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非 常微弱，只要频率大于0，在开始照射后立 即有光电子产生，经过的时间至多为109秒 的数量级。 （2）以频率为的光束照射光电管、光强改 变P1P2 P3时的伏一安曲线如图2所 示，光电流随正向电压的增加而增大。 当正向电压U增大到一定值 时，光电流达到饱和IH。IH 随光强P增大而增大，当U 0时，光电流不为零，说 明从K发射的光电子初动能 不为零。 当UUa时，对同频率、不同光强P照射的光电 子都截止，即I=0，Ua称为遏止电压。 图2 同一频率，不同光强时光电管的 伏安特性曲线 （4）作截止电压U0与频率的关系图如图4所示 U0与成正比关系。 （3）对于不同频率的光，其截止电压的值 不同，如图3所示。 I UA K 1 2 U01 U02 图3 不同频率时光电管的 伏安特性曲线 0 U 0 斜率 h/e 图4截止电压U0与入射光 频率的关系图 当入射光频率低于某极限值0（0随不同金属而异）时 ，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电 流产生。 当电子一次性地吸收了一个光子后，便获 得了h的能量而立刻从金属表面逸出，没 有明显的时间滞后，这也正是光的“粒子 性”表现。 -光电效应的瞬时效应 解 释： 按照爱因斯坦光子理论： 光照射到金属 k 极，实际上是单个光子 能量为h的光子束入射到 k 极，光子 与 k 极内的电子发生碰撞。 入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能 越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有 电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于遏 止电压，光电流才为零 根据爱因斯坦的光电效应方程： 此时有： 阳极电位高于遏止电压后，随着阳极电位的升高 ，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电 流随之上升； 式中Ua为遏止电压。 当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光 电子几乎全收集到阳极，再增加UAK时I不再变化 ，光电流出现饱和，饱和光电流IM 的大小与入 射光的强度P成正比。 光子的能量h0A时，电子不能脱离金属，因而没 有光电流产生。产生光电效应的最低频率（截止 频率）是0 =A/h。 可得： eU0 =hA 此式表明止电压U0是频率的 线性函数（如图），直线斜率 只要用实验方法得出不同的频率对应的遏止电压 ，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h。 三、实验仪器 普朗克常数测定仪 仪器由汞灯及电源、滤光片、光阑、光电管、测试仪 （含光电管电源和微电流放大器）构成，仪器结构如 图5所示 滤色片：5片,透射波长365.0nm，404.7nm，435.8nm，546.1nm， 577.0nm 光 阑：3片，直径2mm，4mm，8mm 四、实验内容 接通汞灯电源和微电流测量放大器电源，预 热20分钟。 1、接上光电管与微电流测量放大器各对应电极 的连接线，用遮光罩盖住光电管暗盒窗口， 光电管与光源的距离取40cm。 2、将放大倍率置于1012档，在无光照的情况 下，调整微电流放大器的零点。 3、测量光电管伏安特性曲线 通光孔径取2mm。取下遮光罩，选取所需单色 滤光片，使单色光照射光电管，缓缓调节电压。 记录相应的光电流I。 电压的调节范围内为-2.0V30.0V。 分三段读数： 电压在-2.0V0.0V范围内时，每隔0.1V 读一个电流值 电压在0.0V20.0V范围内时，间隔均匀 的选取5个电压值，读出对应的电流值。 电压在20.0V30.0V范围内时，间隔均匀 的选取5个电压值，读出对应的电流值。 4、改变滤光片，按内容3测出不同波长(取 435.8nm和546.1nm)下的V-I对应值。 7、由实验数据作出Ua-图，并由这条直线的斜 率k求出普朗克常数h=ek的实验值。 5、电压调至30.0V，改变通光孔径大小，测 出不同孔径时饱和光电流的大小，观察饱和 光电流随孔径变化而改变的规律。 6、由实验数据作出两条V-I特性曲线，由拐点 法分别得出相应单色光的遏止电压Ua。 9、计算