光电效应和普朗克常数的测量.doc

讲义阅后请放在实验台上，不要带走！光电效应与普朗克常数的测量【实验目的】1) 通过光电效应实验加深对光的量子性的认识；2) 验证爱因斯坦方程，测定普朗克常数h；3) 测定光电管的伏安特性曲线【实验原理】图1 实验原理图光电效应是由赫兹在1887年首先发现的，这一发现对认识光的本质具有极其重要的意义1905年，爱因斯坦从普朗克的能量子假设中得到启发，提出光量子的概念，成功地说明了光电效应的实验规律1916年，密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电方程，测出的普朗克常数与普朗克按绝对黑体辐射定律中的计算值完全一致爱因斯坦和密立根分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖光电效应的应用极为广泛用光电效应的原理制成的光电管、光电倍增管及光电池等各种光电器件，是光电自动控制、有声电影、电视录像、传真和电报等设备中不可缺少的器件在光的照射下，从金属表面释放电子的现象称光电效应图2 IU 特性曲线1光电效应及其规律 光电效应的基本规律有：饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比；存在截止频率：对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率叫做截止频率红限；线性性：用不同频率的光照射金属K的表面时，只要入射光的频率大于截止频率，截止电压与入射光频率具有线性关系瞬时性：无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出（延迟时间约为10-9s）2爱因斯坦光子假说与光电效应方程1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做光量子，简称光子在真空中，光子以光速c运动一个频率为的光子具有能量，为普朗克常数按照光子理论，光电效应可解释如下：当金属中的一个自由电子从频率为的入射光中吸收一个光子后，就获得能量如果大于电子从金属表面逸出时所需的逸出功，这个电子就可从金属中逸出根据能量守恒定律，应有 （1）式中是光电子的最大初动能，上式称为爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦方程表明光电子的初动能与入射光的频率成线性关系入射光的强度增加时，光子数也增多，因而单位时间内光电子数目也将随之增加，这就很自然地说明了光电子数与光的强度之间的正比关系由方程(1)，假定，得：这表明频率为(截止频率)的光子具有发射光电子的最小能量如果光子频率低于，不管光子数目多大，单个光子没有足够的能量去发射光电子，所以截止频率相当于电子所吸收的能量全部消耗于电子的逸出功时入射光的频率3普朗克常量的测量如图1表示实验装置的光电原理单色光投射到光电管的阴极金属板K，释放光电子（发生光电效应），A是集电极（阳极）由光电子形成的光电流可以被微安表测量在保持光照射不变的情况下，如果在AK之间施加反向电压（集电极为负电位），光电子就会受到电场的阻挡作用，当反向电压足够大时，达到光电流降到零，就称做截止电压不难理解，截止电压与光电子最大初动能间有如下关系 （2）即有 （3）则测出不同频率的入射光所对应的截止电压，由此可作图线，由直线斜率可求得普朗克常数由该直线与横轴的交点，可求出“红限”频率这就是密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想实际测量的光电管伏安特性曲线存在某些干扰，主要有：（1）存在暗电流和本底电流：在完全没有光的照射下，由光电管阴极本身的电子热运动所产生的电流称为暗电流由于外界各种漫反射光照射到光电管阴极所形成的电流称为本底电流实验曲线0阳极光电流阴极光电流暗电流图4 存在反向电流的I-U特性曲线（2）存在阳极电流：光电管在制造和使用时，阳极不可避免地被阴极材料所沾染在光的照射下，被沾染的阳极也会发射光电子并形成阳极电流，在光电管加反向电压时，该电流流向与阴极电流流向相反由于上述原因，致使实测曲线光电流为零时所对应的电压并不是截止电压确定截止电压，主要有两种办法：交点法光电管阳极用逸出功较大的材料制作，制作过程中尽量防止阴极材料蒸发，实验前对光电管阳极通电，减少其上溅射的阴极材料，实验中避免入射光直接照射到阳极上，这样可使它的反向电流大大减少,因此曲线与U轴交点的电位差值近似等于遏止电位差 ，此即为交点法 拐点法光电管阳极反向电流虽然较大，但在结构设计上，若使反向光电流能较快地饱和，则伏安特性曲线在反向电流进入饱和段后有着明显的拐点，因此测出拐点即测出了理论值【实验装置】光源（高压汞灯，可用谱线为、共五条强谱线）、滤光片、光电管暗盒、微电流测量仪、光电管工作电源图5 实验装置【实验内容及步骤】1. 测试前准备:接通测试仪及汞灯电源，预热约20min盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，将光电管与汞灯距离调整并保持在400mm不变注意：汞灯一旦开启，不要随意关闭！测试仪调零：盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，“电压”选择在“2V+30V”档，“电流量程”选择在“”档，旋转“电流调零”旋钮使“电流表”指示为“000.0”注意：每次调换“电流量程”，都应重新调零！2. 测光电管的伏安特性曲线(曲线)将“电压”选择按键置于“2V +30V”档，将“电流量程”选择开关置于“”或“”挡并重新调零，将直径为的光阑及波长的滤光片插在光电管入射窗孔前从截止电压开始由低到高调节电压，直至30V（不高于30V）从截止电压到0V 区间，电压取值间隔为0.25V；从0V到8V 区间，电压取值间隔为1.5V；从8V到30V 区间，电压取值间隔为3V每取一电压值，记录数据表一 光阑光阑光阑光阑注意：由于光电流会随光源、环境光以及时间的变化而变化，测量光电流时，选定后，应取光电流读数的平均值为了使每个电流值都有三位有效数字，测量过程中须变换“电流量程” 换上直径为4mm的光阑，重复步骤换上波长的滤光片，重复步骤、3. 验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比关系在为时，选择“电流量程”使得电流值有三位有效数字，并重新调零在同一入射频率，同一入射距离下，记录光阑直径分别为2mm、4mm、8mm时对应的电流值于表中表二 光阑光阑孔（mm）248光阑光阑孔（mm）2484. 普朗克常数的测量零电流法 将“电压”选择按键置于“2V +2V”档，“电流量程”选择在“”档并重新调零将直径为的光阑及波长为的滤光片插在光电管入射窗孔前，调节电压，使得光电流为零，此时测试仪中显示的电压值即可认为是该入射光频率对应的截止电压重复测量四次，填入表中依次更换其余四个滤光片（注意：一定要先盖上汞灯的遮光盖再更换滤光片），测出各自对应的截止电压补偿法 调节电压使电流为零后，保持不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电流为电压接近截止电压时的暗电流和本底电流重新让汞灯照射光电管，调节电压使电流升至，将此时对应的电压的绝对值作为截止电压此法可以补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响表三 波长365.0404.7435.8546.1577.0频率8.2167.4106.8825.4925.196截止电压1234平均值【数据处理】1根据表一的数据在坐标纸上作关系曲线2根据表三的数据在坐标纸上作直线，得出直线的斜率后求普朗克常数，与公认值比较求相对误差同时求红限频率3验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比关系【注意事项】1汞灯关闭后，不要立即开启电源必须待灯丝完全冷却后再开启，以延长汞灯寿命2实验过程中注意随时盖上汞灯的遮光盖，一定要先盖上汞灯的遮光盖再更换滤光片3实验结束时应盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖！4滤光片要保持清洁，禁止用手摸关系面5光电管不使用时，要断掉阳极与阴极之间的电压，防止意外光线照射，保护光电管【思考题】1光电效应