南昌大学物理实验报告光电效应

南昌大学物理实验报告 2017 南昌大学南昌大学物理实验报告物理实验报告 姓名:李小龙 学号：5710116068 学院：材料科学与工程学院 班级：材料 162 实验时间：第一周 指导老师：张德建 一、实验名称:光电效应 二、实验目的： 1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的 基本规律； 2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法； 3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常 数。 三、实验仪器： 光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管、测试仪 四、实验原理： 1、 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 E=h，其中 南昌大学物理实验报告 2017 为普朗克常数。 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： h = 1 2 2+ 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 表面的初速度，W 为被光线照射的金属材料的逸出功，1/2mv2 为从 金属逸出的光电子的最大初动能。 由（1）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 0U 被称为光电效应的截止电压。 显然，有 e0-1/2m2 =0 （2） 代入上式即有 h = 0+ w （3） 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=W/h， 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 （3） 式改写为= = ( ) 南昌大学物理实验报告 2017 上式表明, 截止电压0是入射光频率的线性函数，如图 2，当 入射光的频率=0时，截止电压0= 0，没有光电子逸出。图中的 直线的斜率 k=h/e 是一个正的常数： k=h/e （5） 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（5）求出普朗克常数 h。其中 e=1.60 1019是电子的电量 1.1. 光电效应的伏安特性曲线光电效应的伏安特性曲线 图 3 是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为、强度 为 P 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，随着电压的增加，到达阳 极的光电子将逐渐增多。当正向电压U增加到时，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。 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： 南昌大学物理实验报告 2017 暗电流和本底电流。 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。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，使得实际 IU 曲线较理论曲线 下移 由于暗电流是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生， 与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差 U 呈线性变 化，因此可忽略其对遏止电位差的影响。阳极反向电流虽然在实验中 较显著，但它服从一定规律。因此，确定遏止电位差值可采用以下两 种方法 交点法交点法 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，其伏安特性曲线与图 5 十分接近， 因此曲线与 U 轴交点的电位差值近似等于遏止电位差 U0， 此即 本实验采用的交点法（或零电流法） (2)(2) 拐点法拐点法 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 南昌大学物理实验报告 2017 有着明显的拐点，如图 6 中虚线所示的理论曲线下移为实线所 示的实测曲线，遏止电位差 U0 也下移到 U0 点。因此测出 U 0 点即测出了理论值 U0 五、 实验内容及步骤： 1 1 调整仪器调整仪器 （1 1）连接仪器；接好电源，打开电源开关，充分预热（不 少于 20 分钟） 。 (2)在测量电路连接完毕后， 没有给测量信号时， 旋转“调零” 旋钮调零。每换一次量程，必须重新调零。 (3)取下暗盒光窗口遮光罩，换上 365.0nm 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。 2 2、测量普朗克常数、测量普朗克常数 h h （1） 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。将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新 接上 （2） 将直径为 4mm 的光阑和 365.0nm 的滤色片装在光 电管电暗箱输入口上。 （3） 从高到低调节电压，用“零电流法”测量该波长对应的 0U，并数据记录。 （4） 依次换上 405nm、436nm、546nm、577nm 的滤色 片，重复步骤（1） 、 （2） 、 （3） 。 (5) 测量三组数据,然后对 h 南昌大学物理实验报告 2017 求平均值 3 3、测量光电管的伏案特性曲、测量光电管的伏案特性曲线： (1)暗盒光窗口装 365nm 滤光片和 4mm 光阑，缓慢调节电 压旋钮，令电压输出值缓慢由 0V 伏增加到 30V，每隔 1V 记一 个电流值。但注意在电流值为零处记下截止电压值。 (2)在暗盒光窗口上换上577nm滤光片， 仍用4mm的光阑， 重复步骤（1） 。 (3)选择合适的坐标，分别作出两种光阑下的光电管伏安特 性曲线 UI 4 4、探究饱和电流与光通量、光强的关系、探究饱和电流与光通量、光强的关系 控制电压 U=30.0V,波长为 365nm,L=400nm 时，记录 光阑孔分别为 2、4、8 时的电流。 (2)制电压 U=30.0V,波长为 365nm,光阑孔为 2nm 时，记 录距离 L 分别为 300nm、350nm、400mm 时的电流。 六、数据记录与处理：六、数据记录与处理： 表一表一 波长 365 405 436 546 546 频率 1014 8.214 7.408 6.879 5.490 5.196 截止电压 -1.809 -1.482 -1.278 -0.706 -0.501 南昌大学物理实验报告 2017 计算普朗克常量: 当利用不同频率的单色光分别作光源时, 可以测 出不同频率下的 遏止电位 U a。作出 U a 与的曲线, 测曲线的斜率 k， h=ek 便可求出普朗克常数。 测得斜率 k=0.40161014 h=ek=1.160210190.40161014=6.63341034 表二 I 光阑孔 ：4mm 波长 ： 577nm () -2. 0 2.0 4.0 8.0 10. 0 14. 0 16. 0 19. 0 24. 0 I(1010) 0.0 10.0 . 15. 0 20. 0 22. 0 25. 0 27. 0 28. 0 30. 0 光阑孔：4mm 波长 ：436nm () -2.0.2.4.0 6.0 8.0 16.0 22.0 28.0 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0246810 Y 值 线性 (Y 值) 南昌大学物理实验报告 2017 0 0 0 I (1010) 0.0 1. 0 8. 0 13.0 16.0 20.0 31.0 36.0 41.0 表三P 关系 30V :436nm D:8nm 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 -5051015202530 436nm Y 值 0 5 10 15 20 25 30 35 -5051015202530 577nm Y 值 南昌大学物理实验报告 2017 距离 L/nm 300 350 400 L/X1010 364 240 169 表四P 关系 9V :577nm L:4nm 光 阑 孔 直 径 D/nm 2 4 8 I/1010 6 20 80 七、实验小结（思考与讨论） ：七、实验