量子论实验报告

1 / 13量子论实验报告光电效应实验报告姓名：付剑飞；学号：12020012016；班级：12 光科摘 要 1887 年，赫兹在研究电磁辐射时意外发现，光照射金属表面时，在一定条件下，有电子从金属的表面溢出，这种现象被称作光电效应，多溢出的电子称为光电子。由此光电子的定向运动形成的电流称为光电流。1905年爱因斯坦用光量子理论圆满解释了光电效应得出爱因斯坦光电效应方程并由此获得诺贝尔奖，可见光电效应的重要性。本次实验便是这这样的理论基础上开展的测量有关光电管的 U-I 曲线和截止频率等的工作。关键词 光电子；截止频率；光电流；普朗克常数；截止电压；爱因斯坦方程引言 光电效应和光量子理论在物理学的发展史上具有划时代的意义，量子论是近代物理的理论基础之一。而光电效应则可以给量子论以直观鲜明的物理图像。本实验利用“减速电势法”测量光电子的动能，从而验证爱因斯坦方程，并测得普朗克常数。通过实验有助于理解量子理论。【实验目的】1、通过实验了解光的量子性；2 / 132、测量光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压；3、验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常数。【仪器用具】ZKY-GD-3 普朗克常数测试仪。本仪器主要由光源，滤色片和光阑，光电管，微电流测量仪四部分组成。【实验原理】一、光电效应与爱因斯坦方程用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量为式中， 为普朗克常数，它的公认值是 = 。按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全1部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程：3 / 13式中，?为入射光的频率，m 为电子的质量，v 为光电子逸出金属表面的初12mv2 为被光线照射的金属材料的逸出功，为从金属逸出的光电子的最速度， 大初动能。由式可见，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 U0 被称为光电效应的截止电压。显然，有代入式，即有由上式可知，若光电子能量 h?W，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是?0?Wh，通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功，因而?0 也不同。由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子?的频率成正比， ，将式改写为上式表明，截止电压 U0 是入射光频率?的线性函4 / 13数，如图 2，当入射光的频率?0 时，截止电压 U0?0，没有光电子逸出。图中的直线的斜率个正的常数：2k?he 是一由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的 U0?曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式求出普朗克常数 h。其中量。是电子的电U0-v 直线二、光电效应的伏安特性曲线下图是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为 、强度为的光线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。如在阴极 K 和阳极 A 之间加正向电压 UAK，它使 K、A之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压 UAK 的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压增加到 Um 时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。5 / 133光电效应原理图由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流 I 存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流为零。爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压。阳极电流。制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。由于它们的存在，使得 IU 曲线较理论曲线下移，如下图所示。伏安特性曲线【实验步骤】一、调整仪器4连接仪器；接好电源，打开电源开关，充分预热。在测量电路连接完毕后，没有给测量信号时，旋转6 / 13“调零”旋钮调零。每换一次量程，必须重新调零。取下暗盒光窗口遮光罩，换上滤光片，取下汞灯出光窗口的遮光罩，装好遮光筒，调节好暗盒与汞灯距离。注意：汞灯一旦开启不要随意关闭。点亮的汞灯如熄灭需经 3-5min 冷却后才能再次开启。二、测量内容测量光电管的暗电流和本底电流用遮光罩盖住光电管暗盒的光窗，将电压选择按键开关置于22V 档，将“电流量程”选择开关置于A 档。调零。从-2V 到+2V 之间每变化测量一组数据，记录电压及对应电流值。该电流为光电管的暗电流和本底电流。作出暗电流的 I-U 特性曲线并给出结论。手动测量不同波长下的光电管的 I-U 特性A,取下暗黑遮光罩，分别换上、的滤波片和 2mm 的光阑，微电流测试仪调零，先粗略的增大电压看整体情况，选择合适的电流放大倍率。电压调节选择-2-+30V 档，从低到高调节电压记录对应的电流值，做出 I-U 特性曲线并求出截止电压。B,用零电流发分别测出波长为、 、 、 、的截止电压，这时电压档选-2-+2V 合适。注意：每测完一个波长数据都需要再次调零。7 / 13验证光电流与光强的关系A,在同一波长同一距离的情况下，分别测光阑直径为 2mm、4mm、8mm 时的 I-U 值。验证电流与光强的关系。由于时间关系，我们这只测了在线性区的 5 组数据。B,在同一波长同一光阑的情况下，分别测距离为300mm、400mm 时的 I-U 值。验证电流与光强的关系。由于时间关系，我们这只测了在线性区的 5 组数据。实验数据及处理一，原始数据记录如下5太空中的一朵乌云量子论的诞生1900 年 12 月 14 日, 德国物理学家普朗克向柏林物理学会提出了能量子假说, 冲击了经典物理学的基本概念, 使人类对微观领域的奇特本质有了进一步的认识, 对现代物理学的发展产生了重大的革命性的影响. 110 过去了, 人类即将进入更加辉煌灿烂的 21 世纪, 此时我们回顾能量子的诞生过程, 来表达对普朗克这位伟大的、正直的、饱经忧患的卓越物理学家无限的崇敬和仰慕之情。量子论冲破了经典理论的束缚8 / 13令人困惑的“紫外灾难”19 世纪末,人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候,出现了著名的所谓“紫外灾难” 。 虽然瑞利、金斯和维恩分别提出了两个公式，企图弄清黑体辐射的规律，但是和实验相比，瑞利-金斯公式只在低频范围符合,而维恩公式只在高频范围符合。 普朗克从 1896 年开始对热辐射1911 年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩，以表彰他发现了热辐射定律表明：微弱的紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能打出电子，就是说光电效应的产生只取决于光的频率而与光的强度无关。这个现象用光的波动说是解释不了的。因为光的波动说认为光是一种波，它的能量是连续的，和光波的振幅即强度有关，而和光的频率即颜色无关，如果微弱的紫光能从金属表面打出电子来，则很强的红光应更能打出电子来，而事实却与此相反。利用光量子假说可以圆满地解释光电效应。按照光量子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功，从金属表面打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少，但是每个光量子的能量却足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红9 / 13光，光量子的数目虽然很多，但每个光量子的能量不够大，不足以克服电子的逸出动，所以不能打出电子来。爱因斯坦的狭义相对论成功地揭示了能量与质量之间的关系，解决了长期存在的恒星能源来源的难题。近年来发现越来越多的高能物理现象，狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解之谜水星近日点的近动。这是牛顿引力理论无法解释的，并推断出后来被验证了的光线弯曲现象，还成为后来许多天文概念的理论基础。逸出功的测量电 22 李自帅 2016010916摘要:本文对逸出功测量实验进行了原理分析，实验数据的处理。详细介绍了实验的原理以及数据处理方式。关键词：逸出功测量数据处理一、实验目的1.用里查孙直线法测定阴极材料的电子逸出功。2.通过实验了解热电子发射的规律和掌握逸出功的测量方法。二、实验原理根据量子论，原子内电子的能10 / 13级是量子化的。在金属内部运动着的自由电子遵循类似的规律：金属中自由电子的能量是量子化的；电子具有全同性；能级的填充状态要符合泡利不相容原理。在热力学零度及高温时，电子数按能量分布的曲线图 1 中的曲线所示。当温度升高时，电子数按能量分布的曲线图 1 中的曲线所示，少数电子能量上升到比之前的最大动能Wi 还要高，并且电子数以接近于指数的规律减少。由于金属与真空之间有位能壁垒 Wa，如图 2 所示，因此电子要从金属中逸出，必须具有大于 Wa 的动能。W0=Wa-Wi 即为逸出功。热电子发射是用提高阴极温度的办法以改变电子的能量分布，使动能大于 Wi 的电子增多，从而使动能大于 Wa 的电子数达到一可观测的大小，这时动能大于 Wa 的电子就有可能从金属发射出来。可见，逸出功的大小对热电子发射的强弱有决定性的作用。根据以上理论，可以推导出关于热电子发射的里查孙德西曼公式：2?/kTJe?2ATe1式中 Je 为单位面积的发射电流，Wa-Wi 为该金属的逸出功，A1 为普适常数。11 / 13若令 2A1=A，可得发射电流 Ie 的公式：Ie?AST2e?e0?/kT此式即为本实验的理论依据。原则上看，似乎只要能测定式中有关的量 Ie，A，S 及 T，就可以求出逸出功 e0?的数值，实则不然。三、测量及数据处理1. A 与 S 两个量的处理A 这个量直接与金属表面对发射电子的反射系数有关，反射系数又与金属表面的化学春都有关系；另外由于金属表面是粗糙的，计算出的阴极发射面积与实际的有效面积 S 也可能有差异，所以这两个量难以测量，甚至无法测定。故将上式除以 T 再取以 10 为底的常用对数，并以国际单位制并将 e0 和 k 的数值代入，可得lgIe3?lgAS?10?T2T222 由此可以看出，lg 和 1/T 成线性关系，若以 lg和 1/T分别作为纵坐标和横坐标，作图后由直线的斜率即可定出?。由于 A 与 S 对某一固定材料的阴极来说是常数，故 lg 一项只改变 lg-1/T 直线的截距，而不影响直线的斜率，这就避免了由于 A 和 S 不能准确测定以致影响确定 的困难，此方法叫里查孙直线法。12 / 132. 发射电流 Ie 的测量当电子不断从阴极发射出来飞往阳极的途中，所形成的空间电荷电场必将阻碍后续电子飞往阳极。为此，需维持阳极电位高于阴极，即在阳极于阴极之间外加一个加速场，使电子一旦逸出，就能迅速飞往阳极。下图为测量Ie 的示意图。但由于外加电场 Ea 的存在，就不能不影响热电子的发射，即出现肖特基效应。所谓肖特基效应，是指在热电子发射过程中受到阳极加速电场的影响，使电子从阴极发射出来时将得到一个助力，因而增加了电子发射的数量。增加后的值自然不是真正的 Ie 值，而必须作相应的处理。通常，在加速场 Ea 的作用下，阴极发射电