大学物理实验：光电效应ppt.ppt

光电效应测普朗克常数 光电效应实验组2013 8 30魏合林 特别注意 光电管易损坏 实验前切勿打开桌面电源 实验目的 1 测定光电效应的基本特性曲线 加深对光的量子性的认识 2 验证爱因斯坦方程 并测量普朗克常数以及阴极材料的 红限 频率 1 测量普朗克常数h及 红限 频率 0 2 测定光电管的伏安特性 I U 曲线 3 测量饱和电流与光强 Im P 关系 实验内容 普朗克常数介绍 黑体辐射 紫外灾难 引入h后使公式完全符合实验曲线 开启量子世界大门 光电效应现象及其历史 光电效应 光照射到金属上 引起物质的电性质发生变化 这类光变致电的现象被人们统称为光电效应 初次试验 1887年光电效应是赫兹 H R Hertz 于验证电磁波存在时意外发现的 然而这一现象是无法用麦克斯韦的经典电磁理论对其做出成功解释的 理论解释 1905年爱因斯坦在普朗克 M Planck 量子假设的基础上提出了光量子 光子 概念 并由此圆满地解释了光电效应的各种实验规律 再次试验 10年后密立根 R A Millikan 以精湛的实验技术验证了爱因斯坦的光电效应方程 获得成就 爱因斯坦和密立根主要因光电效应方面的杰出贡献分别荣获1921年和1923年的诺贝尔物理学奖 光电效应现象及其历史 光电效应的发现和解释极大推动了量子力学的发展 推动了现代科学技术的快速发展 使得人类生活发生极大的变化 光电效应的应用 利用光电效应可以把光信号转变为电信号 动作迅速灵敏 因此利用光电效应制作的光电器件在工农业生产 科学技术和文化生活领域内得到了广泛的应用 光电管就是应用最普遍的一种光电器件 电磁波 光 电信号 光电器件 光敏管 光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 光敏组件 色敏器件 光敏可控硅器件 光耦合器等光电器件 太阳能电池 成像系统 CCD 微光夜视 光电倍增管 光电效应的实验原理 图中的Im是饱和光电流 它与 单位时间内发射出的光电子数 有关 由入射光的强度决定 图中的Us是反向截止电压 遏止电压 它与 光电子的最大初动能 有关 由入射光的频率决定 I U 曲线 如图所示的是光电流强度I随光电管两极间电压U的变化曲线 相应的物理意义是 入射光照射到阴极K时 由光电效应产生的光电子以某一初动能飞出 光电子受电场力的作用向阳极A迁移而构成光电流 每一种金属都有一极限频率 或称截止频率 即照射光的频率不能低于某一临界值 相应的波长被称做极限波长 或称红限波长 当入射光的频率低于极限频率时 无论多强的光都无法使电子逸出 光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关 而与光强无关 光电效应的瞬时性 实验发现 只要光的频率高于金属的极限频率 光的亮度无论强弱 光子的产生都几乎是瞬时的 即几乎在照到金属时立即产生光电流 响应时间不超过10 9秒 1ns 入射光的强度只影响光电流的强弱 即只影响在单位时间单位面积内逸出的光电子数目 在光频率不变的情况下 入射光越强 饱和电流越大 即一定频率的光 入射光越强 一定时间内发射的电子数目越多 光电效应规律 光电效应现象的原理 在光电效应中 要释放光电子显然需要有足够的能量 根据经典电磁理论 光是电磁波 电磁波的能量决定于它的强度 即只与电磁波的振幅有关 而与电磁波的频率无关 而实验规律中的第一 第二两点显然用经典理论无法解释 经典解释 存在截止频率 光电效应与光的频率有关 而与光强无关 第三条也不能解释 因为根据经典理论 对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸出 必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子 光电效应现象的原理 量子解释 爱因斯坦 轨道能脱出功 光电效应现象的原理 量子解释 爱因斯坦 光电子的最大初动能 入射到金属表面的光频率越高 逸出的电子动能必然也越大 所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流 甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极 直至阳极电位低于某一数值时 所有光电子都不能到达阳极 光电流才为零 这个相对于阴极为负值的阳极电位US被称为光电效应的截止电压 遏止电压 截止频率 爱因斯坦光电效应方程 红限 频率 要想发射光电子流 必须 横轴上的截距的物理含义是光电管阴极材料的极限频率 纵轴上的截距的物理含义是光电管阴极材料的溢出功的负值 斜率的物理含义是普朗克常数 光电效应现象的原理 量子解释 爱因斯坦 Ekm v 曲线 如图所示的是光电子最大初动能Ekm随入射光频率v的变化曲线 相应的物理意义为 1912 1915年间 密立根 光电效应现象的原理 I U 曲线 如图所示的是光电流强度I随光电管两极间电压U的变化曲线 实际 I U 曲线 实验中影响光电效应伏安 特性的因素很多 暗电流 阳极电流 不同材料的接触电压以及照射光的非单色性 曲线的下部转变为直线 转变点B 抬头点 对应的外加电压值才是遏止电压US 影响准确测量的因素 光电效应现象的原理 暗电流或本底电流 当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流 称为暗电流 它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的 室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流 暗电流和本底电流随着K A之间电压大小变化而变化 阳极电流 阳极的光电子发射是阳极材料在光照下发射的光电子 对这些光电子而言 外加反向电场是加速电场 因此它们很容易到达阴极 形成反向电流 阳极电流 由于它们的存在 使得I U曲线较理论曲线下移 如图所示 ZKY GD 3型光电效应实验仪 普朗克常数的测量原理 实验仪器 ZKY GD 3型光电效应实验仪 普朗克常数的测量 高压汞灯 光电管 滤光片及光阑 遮光盖 测试仪 40cm 实验仪器 普朗克常数的测量 ZKY GD 3光电效应实验仪结构示意图 五种带通型滤光片安装在接收暗盒的进光窗口上 以获得所需要的单色光 实验仪器 普朗克常数的测量 光阑 滤光片 实验仪器 普朗克常数的测量 ZKY GD 3光电效应实验仪结构示意图 实验仪器 ZKY GD 3型光电效应实验仪特点 由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极 由阴极反射照到阳极的光也很少 加上采用新型的阴 阳极材料及制造工艺 使得阳极反向电流 光电管暗电流大大降低 由此测定的光电管的伏安特性曲线点与点基本重合 因而可以把实测电流为零时对应的光电管电压值作为截止电压 此种方法称为零电流法 普朗克常数的测量 ZKY GD 3型光电效应实验仪采用了新型结构的光电管 普朗克常数的测量 实验内容 1 把汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上 将汞灯暗盒光输出口对准光电管暗盒光输入口 调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变 将测试仪及汞灯电源接通 预热20分钟 汞灯一旦开启 不要随意关闭 2 测试仪调零 将 电流量程 选择开关置于10 13A档位 仪器在充分预热后 进行测试前调零 调零时 将 调零 测量 切换开关切换到 调零 档位 旋转 电流调零 旋钮使电流指示为 000 调节好后 将 调零 测量 切换开关切换到 测试 档位 就可以进行实验了 测试前准备 普朗克常数的测量 1 测量普朗克常数 红限 频率 本实验采用ZKY GD 3型光电效应实验仪 由于其特殊结构使暗电流大大降低 由此测定的光电管的伏安特性曲线与基本重合 因而可以把实测电流为零时对应的光电管电压值作为截止电压 此种方法称为零电流法 1 用零电流法测定h和 由于光电管的阳极反向电流 暗电流 本底电流及极间接触电位差等因素的影响 实测电流为零时对应的光电管的电压并非截止电压 而对应于U I实验曲线反向电流开始趋于常量的点 拐点 因此 通过实验测量光电管的伏安特性 根据U I实验曲线分析其 拐点 由此得出截止电压 此方法称为 拐点法 普朗克常数的测量 1 测量普朗克常数 红限 频率 将电压选择按键置于 2V 0V档 电流量程选择在10 13A挡 重新调节测试仪零点 将直径为4mm的光阑及365 0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上 调节电压UAK 使光电流指示为零 此时测试仪所显示的电压值即为与入射光频率对应的截止电压 更换其余四个滤光片 注意 更换滤光片时先将汞灯用遮光盖盖上 测出各频率的光所对应的截止电压 重复上述测量步骤 测量4组数据 数据记录表格一 每种情况测量四次 普朗克常数的测量 将电压选择按键置于 2V 30V档 将 电流量程 选择开关置于10 12A档 重新调节测试仪零点 将直径2mm的光阑及577nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上 从低到高调节电压 记录电流从零到非零点所对应的电压值作为第一组数据 之后电压间隔取1 5V 一直测到UAK 30 0V左右为止 换上直径4mm及8mm的光阑 重复上述测量步骤 2 测量光电管的伏安特性曲线 I U曲线 数据记录表格二 普朗克常数的测量 3 验证光电管的饱和光电流与入射光强的正比关系 将 电流量程 选择开关置于10 11A档 重新调节测试仪零点 将电压调到25V 在同一谱线 在同一入射距离下 记录光阑分别为2mm 4mm 8mm时对应的电流值 由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比 用表三数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比 数据记录表格三 由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比 用表三数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比 数据处理 普朗克常数的测量 一 根据表格一测量数据1 作图法作出US v的实验直线 由此直线的斜率k计算普朗克常数h ek 与公认值进行比较计算相对不确定度 由该直线与横轴的交点得出 红限 频率v0 2 最小二乘法根据最小二乘法求出直线方程 普朗克常数 红限 频率 数据处理 普朗克常数的测量 二 根据表格二测量数据 作对应于以上两种波长及光强的伏安特性曲线 三 根据表格三测量数据 作对应于以上两种波长的Im P关系曲线 并给出结论 普朗克常数的测量 思考题 光电效应的实验规律是什么 经典的波动理论是如何解释光电效应的各条实验规律 爱因斯坦光量子假说的内容是什么 它是如何解释光电效应的各条实验规律 密立根验证爱因斯坦光电