普朗克常量实验.doc

实验三十一 普朗克常量实验普朗克常量是在辐射定律研究过程中，由普朗克（1858-1947）于1900年引入的与黑体的发射和吸收相关的普适常量。普朗克公式与实验符合得很好。发表后不久，普朗克在解释中提出了与经典理论相悖的假设，认为能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些值是最小能量的整数倍。1905年，爱因斯坦（1879-1955）把这一观点推广到光辐射，提出光量子概念，用爱因斯坦方程成功地解释了光电效应。普朗克的理论解释和公式推导是量子论诞生的标志。一、实验目的1 通过实验加深对光的量子性的了解。2 学习用光电疚测定普朗克常数的方法。二、仪器与用具GSZF-5型 普朗克常量测定仪三、工作原理图31-1表是实验装置的光电原理图。卤钨灯S发出的光束经透镜L会聚到单色仪M的入射狭缝上，从单色仪出射狭缝发出的单色光投射到光电管PT的阴级金属板K，释放光电子（发生光电效应），A是集电级（阳极）。由光电子形成的光电流经放大器AM放大后可以被微安表测量。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V0，光电流降到零，V0就称做遏止电位。V0与电子电荷的乘积表示发射的最快的电子的动能Kmax，即 （31.1） S：卤钨灯；L：透镜；M：单色仪；G：光栅；PT：光电管；AM：放大器图31-1普朗克常量实验装置光电原理按爱因斯坦的解释，频率为的光束中的能量是一份一份地传递的，每个光子的能量 （31.2） 其中的h就是普朗克常量，他把光子概念应用于光电效应，又得出爱因斯坦方程 （31.3） 并作出解释：光子带着能量hv进入表面，这能量的一部分（E0）用于迫使电子挣脱金属表面的束缚，其余（hvE0）给予电子，成为逸出金属表面后所具有的动能。 将式（31.1）代入式（31.3），并加以整理，即有 （31.4） 这表明V0与之间存在线性关系，实验曲线的斜率应当是。是常量。因此，只要用几种频率的单色光分别照射光电阴极，作出几条相应的伏安特性曲线，然后据以确定各频率的截止电位，再作V0-关系曲线，用其斜率乘以电子基本电荷e，即可求得普朗克常量。 应当指出，本实验获得的光电流曲线，并非单纯的阴极光电流曲线，其中不可避免地会受到暗电流和阳极发射光电子等非理想因素的影响，产生合成效果。图31-2表示，实测曲线光电流为零处（A点）阴极光电流并未被遏止，此外电位也就不是遏止电位，当加大负压，伏安特性曲线接近饱合区段的B点时，阴极光电流才为零，该点对应的电位正是外加遏止电位。实验的关键是准确地找出各选定频率入射光的遏止电位。图31-2光电管的伏安特性曲线四、实验内容1接通溴钨灯电源，使光束会聚到单色仪的入射狭缝上（缝宽可取较窄一档：0.15mm）。2单色仪的调节 单色仪的参数 波长范围 200-800nm 狭缝 固定宽度二档0.15mm，0.3mm 波长精度 1nm 波长重复性 0.5nm 参阅图31-1和小型光栅单色仪俯视图，首先将透镜移出光路，使溴钨灯发出的光直接照射在单色仪的入缝上，并使光源的光斑与入射狭缝对称。然后将透镜放入光路中，前后移动透镜架，使光源发出的光成象在入射狭缝处，若不在狭缝处，只能调透镜架，别再调光源和单色仪。 以上对系统的同轴等高基本调好后，仍需对单色仪的光信号输出进行细调 ，此时可用一张白纸放在单色仪的出射狭缝处，将波长读数轮的读数调到零，然后一边微微的在零线附近旋转，一边观察白纸屏有无白光输出。若有白光输出可以微动鼓轮和适当的调节透镜架，将输出的零级谱线调到最好。然后将光电接收器靶面置於光路中。图31-3 单色仪的读数装置 单色仪输出的波长示值是利用螺旋测微器读取的。如图31-3所示，读数装置的小管上有一条横线，横线上下刻度的间隔对应着50 nm的波长。鼓轮左端的圆锥台周围均匀地划分成50个小格，每小格对应1 nm。当鼓轮的边缘与小管上的“0”刻线重合时，单色仪输出的是零级光谱。而当鼓轮边缘与小管上的“5”刻线重合时，波长示值为500 nm。图53。切断“放大测量器”的电源，接好光电管与放大测量器之间的电缆，再通电预热20-30min后，调节该测量放大器的零点位置。2. 测量光电管的伏安特性 取下暗盒盖，让光电管对准单色仪出射狭缝（缝宽仍取较窄一档），按上述螺旋测微器与波长示值的对应规律，在可见光范围内选择一种波长输出，根据微安表指示，找到峰值，并设置适当的倍率按键； 调节“放大测量器”的“旋钮1”可以改变外加直流电压。从1 V起，缓慢调高外加直流电压，先注意观察一遍电流变化情况，记住使电流开始明显升高的电压值； 针对各阶段电流变化情况，分别以不同的间隔施加遏止电压，读取对应的电流值。在上一步观察到的电流起升点附近，要增加监测密度，以较小的间隔采集数据（电流转正后，可适当加大测试间隔，电流可测到9010-9A为止）； 陆续选择适当间隔的另外34种波长光进行同样测量，列表记录数据。5、数据处理 在3525cm或2520cm毫米方格纸上分别作出被测光电管在45种波长（频率）光照射下的伏安特性曲线，并从这些曲线找到和标出IAK的遏止电位，填入下表。提示：作GD31A型光电管伏安特性曲线，若用到红光波段，随着频率的降低，遏止电位倾向于从曲线的“拐点”逐渐向上偏移。波长（nm）频率遏止电位V0（V） 根据上表数据作V0-关系图，如得一直线，即说明光电效应的实验结果与爱因斯坦光电方程是相符合的。用该直线的斜率乘以电子电荷e（1.60210-19C），求得普朗克常量。 把普朗克常量与公认值作比较。五、注意事项：1、GD-31A型光电管属高灵敏度光电管，但产品个体之间灵敏度可能会有较大差别，其中该指标较低的光电管，不同频率单色光的几条伏安特性曲线容易靠得太近。这时可在一张3525cm格纸上分作两图，使曲线间有适当距离。2、测微电流时必须确认表针停稳后才可以读数。3、实验中要注意可能出现的微电流计指针的漂移现象。遇短时间的漂移，实验可暂停片刻；对数据有较大影响时，部分测量可以重做；若电网电压波动较大，